Что такое барнаульская частица
Броуновское движение
Броуновское движение — это беспорядочные перемещения малых частиц, возникающие вследствие их столкновения с невидимыми молекулами воды или газа. Первым его обнаружил ботаник Роберт Броун — частицы пыльцы, которые он разглядывал под микроскопом на мокром предметном стекле, двигались рывками, — однако описать математически смог только Альберт Эйнштейн. Броуновское движение объясняет, как распространяется в спокойном воздухе пыльца, но и описывает также множество случайных процессов — от наводнений до скачков на фондовом рынке. Его непредсказуемые рывки связаны с фракталами.
В XIX веке ботаник Роберт Броун, разглядывая под микроскопом частицы пыльцы, обнаружил, что они не стоят на месте, но отрывисто двигаются. На миг он задумался — уж не живые ли они? Нет, конечно, просто их сбивали с места молекулы воды, которой Броун смачивал предметные стекла. Частицы пыльцы двигались хаотично, иногда лишь немного, иногда на довольно большие расстояния, и, в конечном счете, совершали по стеклу путь, предсказать который было невозможно. И многие ученые начали задумываться над открытием Броуна, названным в его честь «броуновским движением».
Случайное блуждание
Броуновское движение совершается любыми малыми частицами, находящимися во взвешенном состоянии в жидкости или газе. Его можно наблюдать даже у довольно больших частиц, например частиц дыма, — при большом увеличении видно, какие зигзаги они описывают в воздухе. Сила получаемых частицами ударов зависит от импульса молекул. Она оказывается большей в случае тяжелых молекул жидкости либо газа — как и в случае быстро движущихся, например, молекул нагретой жидкости.
Во второй половине XIX века предпринималась не одна попытка описать броуновское движение математически, однако сделать это смог лишь Эйнштейн в 1905 году, когда он также опубликовал специальную теорию относительности и дал описание фотоэффекта, за что получил Нобелевскую премию. Эйнштейн воспользовался тепловой теорией, основанной на столкновениях молекул, и успешно объяснил движения частиц, которые наблюдал Броун. Поняв, что броуновское движение доказывает существование молекул жидкостей, физики вынуждены были принять и учение об атомах, которое даже в начале XX века еще вызывало сомнения.
Диффузия
Со временем броуновское движение способно заставить частицу пройти значительное расстояние, хоть, разумеется, и не такое, какое она могла бы пройти, если бы никто не мешал ей двигаться по прямой. Это объясняется случайным характером движения молекул, которые с равной вероятностью могут толкать ее и вперед, и назад. Поэтому, если уронить в жидкость плотную группу частиц, они начнут рассеиваться (диффундировать) во все стороны даже при том, что жидкость никто не будет помешивать и никакие потоки в ней не возникнут. Каждая частица пойдет по своему пути, и капля начнет расширяться, образуя диффузное облако. Такое рассеяние играет важную роль в распространении загрязнений воздуха, имеющих точечный источник, например в распространении аэрозоля в атмосфере. Даже при полном отсутствии ветра химические вещества будут рассеиваться в воздухе вследствие одного лишь броуновского движения.
Фракталы
Путь, по которому следует частица, совершающая броуновское движение, дает нам пример фрактала. Каждый прямой отрезок этого пути может иметь любую длину и любое направление, однако некоторый общий рисунок все же существует. Этот рисунок несет в себе определенную структуру, в каком масштабе его ни разглядывай — от наименьшего из вообразимых до очень больших. А это и есть определяющее свойство фрактала.
Фракталы были в 1960-х и 1970-х предложены Бенуа Мандельбротом как метод представления самоподобных фигур в количественной форме. Фракталы — это фигуры, которые при любом масштабе выглядят одинаково. Если увеличить малый кусочек этой фигуры, вы увидите точно такую же, неотличимую от первой, рассматриваемой в большем масштабе, поэтому определить степень увеличения, глядя на фигуру, ни за что не удастся. Такая безмасштабная повторяемость часто встречается в природе — в рисунке береговой линии, в ветвях дерева, в листьях папоротника, в шестикратной симметрии снежинки.
Фракталы отличаются тем, что их длина или размерность не зависят от того, с каким увеличением вы их рассматриваете. Если вы решите измерить расстояние между двумя приморскими городами, Лендс-Эндом и Маунтс-Беем, то, скорее всего, придете к выводу, что оно составляет 30 км, однако вспомните про все береговые скалы и попробуйте обвить каждую веревкой — и вы обнаружите, что веревка вам понадобится в сотню километров длиной. Если же вы пойдете еще дальше и затеете обмерять каждую песчинку берега, веревку придется удлинить до многих сотен километров. Выходит, что абсолютная длина береговой линии зависит от масштаба, в котором вы проводите измерения. Ограничьтесь грубым очертанием берега — и вы снова вернетесь к уже знакомым вам 30 км. В этом смысле фрактальная размерность есть мера огрубления чего-то, будь то облако, дерево или горный хребет. Многие из фрактальных форм, например береговую линию, можно получить соединением шагов случайного движения — отсюда и их связь с броуновским движением.
Математика броуновского движения, или последовательность случайных шагов, может использоваться для создания фрактальных фигур, находящих применение во многих областях науки. С ее помощью можно создавать грубо очерченные виртуальные пейзажи — горы, деревья, облака — компьютерных игр, ее можно использовать в программах пространственного картирования, которые помогают роботам двигаться по сильно пересеченной местности, моделируя ее возвышенности и низины. Врачи применяют ее для медицинской визуализации, когда у них возникает нужда проанализировать структуру сложных органов тела, скажем легких, в которых ветвящиеся структуры присутствуют во всех масштабах, от грубого до совсем малого.
Идеи броуновского движения используются и для предсказания рисков либо событий будущего, которые являются суммарным результатом множества случайных воздействий — наводнений, колебаний фондового рынка. Фондовый рынок можно рассматривать как портфель ценных бумаг, стоимость которых варьируется случайным образом, напоминая броуновское движение множества молекул. Фигурирует оно и в моделировании других социальных процессов, относящихся к производству товаров и принятию решений. Броуновское движение с его случайным характером обладает значительным влиянием и появляется во множестве обличий — не в одном только танце чаинок в чашке горячего чая.
Броуновское движение в физике
Содержание:
Определение
Броуновским движением называется хаотическое и беспорядочное движение маленьких частиц, как правило, молекул в разных жидкостях или газах. Причиной возникновения броуновского движения является столкновение одних (более мелких частиц) с другими частицами (уже более крупными). Какая история открытия броуновского движения, его значение в физике, и в частности в атомно-молекулярной теории? Какие примеры броуновского движения есть в реальной жизни? Обо всем этом читайте далее в нашей статье.
Открытие
Первооткрывателем броуновского движения был английский ботаник Роберт Броун (1773-1858), собственно именно в его честь оно и названо «броуновским». В 1827 году Роберт Броун занимался активными исследованиями пыльцы разных растений. Особенно сильно его интересовало, то, какое участие пыльца принимает в размножении растений. И вот как то, наблюдая в микроскоп движение пыльцы в овощном соке, ученый заметил, что мелкие частицы то и дело совершают случайные извилистые движения.
Наблюдение Броуна подтвердили и другие ученые. В частности было подмечено, что частицы имеют свойство ускоряться с увеличением температуры, а также с уменьшением размера самих частиц. А при увеличении вязкости среды, в которой они находились, их движение наоборот, замедлялось.
Роберт Броун, открыватель броуновского движения.
Сначала Роберт Броун подумал, что он наблюдает движение, даже «танец» каких-то живых микроорганизмов, ведь и сама пыльца – это, по сути, мужские половые клетки растений. Но похожее движение имели и частицы мертвых растений, и даже растений засушенных сто лет назад в гербариях. Еще больше удивился ученый, когда стал исследовать неживую материю: мелкие частицы угля, сажи, и даже частички пыли лондонского воздуха. Затем под микроскоп исследователя попало стекло, различные и разнообразные минералы. И везде были замечены эти «активные молекулы», пребывающие в постоянном и хаотичном движении.
Это интересно: вы и сами можете наблюдать броуновское движение своими глазами, для этого вам понадобится не сильный микроскоп (ведь во время жизни Роберта Броуна еще не было мощных современных микроскопов). Если рассматривать через этот микроскоп, например, дым в зачерненной коробке и освещенный боковым лучом света, то можно будет увидеть маленькие кусочки сажи и пепла, которые будут непрерывно скакать туда-сюда. Это и есть броуновское движение.
Атомно-молекулярная теория
Открытое Броуном движение вскоре стало очень известным в научных кругах. Сам первооткрыватель с удовольствием показывал его многим своим коллегам. Однако долгие годы и сам Роберт Броун, ни его коллеги не могли объяснить причины возникновения броуновского движения, то почему оно вообще происходит. Тем более что броуновское движение было совершенно беспорядочным и не поддавалось никакой логике.
Его пояснение было дано лишь в конце ХIX века и оно не сразу было принято научным сообществом. В 1863 году немецкий математик Людвиг Кристиан Винер предположил, что броуновское движение обусловлено колебательными движениями неких невидимых атомов. По сути это было первое объяснение этого странного явления, связанное со свойствами атомов и молекул, первая попытка при помощи броуновского движения проникнуть в тайну строения материи. В частности Винер попытался измерить зависимость скорости движения частиц от их размера.
Впоследствии идеи Винера были развиты другими учеными, среди них был известный шотландский физик и химик Уильям Рамзай. Именно ему удалось доказать, что причиной броуновского движения мелких частиц являются удары на них еще более мелких частиц, которые в обычный микроскоп уже не видны, подобно тому, как не видны с берега волны качающие далекую лодку, хотя движение самой лодки видно вполне ясно.
Уильям Рамзай в своей лаборатории.
Теория броуновского движения
Несмотря на внешний беспорядок хаотического движения частиц, их случайные перемещения все-таки попытались описать математическими формулами. Так родилась теория броуновского движения.
К слову, одним из тех, кто разрабатывал эту теорию, был польский физик и математик Мариан Смолуховский, который как раз в то время работал во Львовском университете и жил в родном городе автора этой статьи, в прекрасном украинском городе Львове.
Львовский университет, ныне университет им. И. Франка.
Параллельно с Смолуховским теорией броуновского движения занимался один из светочей мировой науки – знаменитый Альберт Эйнштейн, который в то время еще был молодым и никому известным работником в Патентном бюро швейцарского города Берна.
Оба ученых в результате создали свою теорию, которую можно также называть теорией Смолуховского-Эйнштейна. В частности была сформирована математическая формула, согласно нее среднее значение квадрата смещения броуновской частицы (s 2 ) за время t прямо пропорционально температуре Т и обратно пропорционально вязкости жидкости n, размеру частицы r и постоянной Авогадро.
R в формуле – газовая постоянная. Так, если за 1 мин частица диаметром 1 мкм сместится на 10 мкм, то за 9 мин – на 10 = 30 мкм, за 25 мин – на 10= 50 мкм и т.д. В аналогичных условиях частица диаметром 0,25 мкм за те же отрезки времени (1, 9 и 25 мин) сместится соответственно на 20, 60 и 100 мкм, так как = 2. Важно, что в приведенную формулу входит постоянная Авогадро, которую таким образом, можно определить путем количественных измерений перемещения броуновской частицы, что и сделал французский физик Жан Батист Перрен.
Для наблюдений за броуновскими частицами Перрен использовал новейший на то время ультрамикроскоп, через который уже были видны мельчайшие частицы вещества. В своих опытах ученый, вооружившись секундомером, отмечал положения тех или иных броуновских частиц через равные интервалы времени (например, через 30 секунд). Затем соединяя положения частиц прямыми линями, получались разнообразные замысловатые траектории их движения. Все это зарисовывались на специальном разграфленном листе.
Так выглядели эти рисунки.
Составляя теоретическую формулу Эйнштейна со своими наблюдениями Перрен смог получить максимально точное для того времени значение числа Авогадро: 6,8 . 10 23
Своими опытами он подтвердил теоретические выводы Эйнштейна и Смолуховского.
Диффузия
Перемещения частиц при броуновском движении, внешне очень похоже с движением частиц при диффузии – взаимному проникновению молекул разных веществ под действием температуры. Тогда в чем же различие между броуновским движением и диффузией? В действительности, и диффузия и броуновское движение происходят по причине хаотического теплового движения молекул, и как результат описываются похожими математическими правилами.
Разница между ними в том, что при диффузии молекула всегда движется по прямой линии, пока не столкнется с другой молекулой, после чего она изменит траекторию своего движения. Броуновская частица «свободного полета» не совершает, а испытывает очень мелкие и частые как бы «дрожания», вследствие которых она хаотически перемещается то туда, то сюда. Говоря образным языком, броуновская частица подобна пустой банки пива, валяющейся на площади, где собралась большая толпа народу. Люди снуют туда-сюда, задевают банку своими ногами и она летает хаотически в разные стороны подобно броуновской частице. А движение самих людей в толпе уже более характерно для движения частиц при диффузии.
Если же смотреть на микро уровне, то причиной движения броуновской частицы является ее столкновение с более мелкими частицами, в то время как при диффузии частицы сталкиваются с себе подобными другими частицами.
И диффузия и броуновское движение происходит под действием температуры. С уменьшением температуры, как скорость частиц при броуновском движении, так и скорость движения частиц при диффузии замедляются.
Примеры в реальной жизни
Теория броуновского движения, этих случайных блужданий имеет и практическое воплощение в нашей реальной жизни. Например, почему, человек, который заблудился в лесу, периодически возвращается на одно и то же место? Потому, что он ходит не кругами, а примерно так, как движется обычно броуновская частица. Поэтому свой собственный путь он пересекает сам много раз.
Поэтому, не имея четких ориентиров и направлений движения, заблудившийся человек уподобляется броуновской частице, совершающей хаотические движения. Но чтобы выйти из леса нужно иметь четкие ориентиры, разработать систему, вместо того, чтобы совершать разные бессмысленные действия. Одним словом, не стоит вести себя в жизни подобно броуновской частице, бросаясь из стороны в сторону, а знать свое направление, цель и призвание, иметь мечты, смелость и упорство их достигать. Вот так из физики мы плавно перешли к философии. На этом заканчиваем эту статью.
Видео
И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.
Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка
При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.
Эта статья доступна на английском языке – Brownian Motion.
Броуновская частица: понятие, размер, движение
Если размешать в воде тушь или краску, а потом посмотреть на эту воду под микроскопом, то можно увидеть быстрое перемещение мельчайших частичек сажи или краски в различных направлениях. Что провоцирует такие перемещения?
Кто и когда обнаружил
В 1827 году английский биолог Роберт Броун наблюдал в микроскоп за каплей воды, в которую случайно попало небольшое количество цветочной пыльцы. Он увидел, что мельчайшие частицы пыльцы приплясывают, двигаясь хаотично в жидкости. Так было открыто названное именем этого ученого броуновское движение – движение мельчайших частиц, растворенных в жидкости или газе. После наблюдения за различными видами пыльцы, имевшимися в его коллекции, биолог растворял в воде перетертые в порошок минералы.
Вам будет интересно: Булгарский язык: история, особенности изучения
В итоге Броун был убежден, что такое беспорядочное движение вызвано никак не самой жидкостью и не воздействием на жидкость извне, а непосредственно внутренним движением самой мелкой частицы. Эта частичка по аналогии с наблюдаемым движением получила название «броуновская частица».
Развитие теории, ее последователи
В дальнейшем открытие Броуна подтвердили, расширили и конкретизировали, основываясь на молекулярно-кинетической теории, А. Эйнштейн и М. Смолуховский. А французский физик Перрен спустя двадцать лет благодаря усовершенствованию микроскопов в процессе изучения беспорядочного движения броуновской частицы подтвердил существование собственно молекул. Наблюдение за броуновским движением позволило Перрену просчитать количество молекул в 1 моль любого газа и вывести барометрическую формулу.
Открытие движения броуновской частицы послужило доказательством существования гораздо более мелких, не видимых даже в микроскоп частичек – молекул жидкости и любого другого вещества. Именно молекулы своим постоянным движением заставляют перемещаться частички пыльцы, сажи или краски.
Определение и размер
Если смотреть в микроскоп на взвешенные в воде частицы туши, то можно заметить, что крупинки различного размера ведут себя по-разному. Относительно объемные частицы, испытывая за определенный отрезок времени одинаковое количество толчков со всех сторон, не начинают двигаться. А малые частицы за такой же временной интервал получают односторонние нескомпенсированные удары, толкающие их в сторону, и перемещаются.
Каков же размер броуновской частицы, подвергающейся воздействию молекул? Опытным путем доказано, что в движение приходят цитоплазматические зерна пыльцы размером не более 3 микрометров (мкм), или 10-6 метра, или 10-3 миллиметра. Частицы большего размера не становятся участниками обнаруженного Броуном постоянного движения.
Итак, ответим на вопрос «что такое броуновская частица». Это мельчайшие зерна вещества размером не более 3 мкм, находящиеся во взвешенном состоянии в жидкости или газе, совершающие постоянное хаотичное движение под воздействием молекул той среды, в которой они находятся.
Молекулярно-кинетическая теория
Броуновское движение не прекращается, не замедляется во времени. Это объясняет концепция молекулярно-кинетической теории, говорящей о том, что молекулы любого вещества находятся в постоянном тепловом движении. С повышением температуры среды скорость движения молекул увеличивается, соответственно ускоряется и броуновская частица, подвергающаяся ударам молекул.
Помимо температуры вещества, скорость броуновского движения зависит также от вязкости среды и размера взвешенной частицы. Максимальной скорости движение достигнет в том случае, когда будет высокая температура окружающего частицы вещества, само вещество не будет вязким, а пылинки будут наименьшего размера.
Молекулы вещества, в котором находятся мельчайшие частички, случайным образом сталкиваясь, прикладывают равнодействующую силу (производят толчок), вызывающую смену направления движения пыльцы. Но такие флуктуации очень непродолжительны во времени, и практически сразу направление прикладываемой силы меняется, что приводит к смене направления движения.
Самым простым и наглядным примером, позволяющим понять, что такое броуновская частица, является движение пылинок, видимое в косом солнечном луче. В 99-55 гг. до н. э. древнеримский поэт Лукреций совершенно точно объяснил причину беспорядочного движения в философской поэме «О природе вещей».
Вот посмотри: всякий раз, когда солнечный свет проникает
В наши жилища и мрак прорезает своими лучами,
Множество маленьких тел в пустоте, ты увидишь, мелькая,
Мечутся взад и вперед в лучистом сиянии света.
Можешь из этого ты уяснить себе, как неустанно
Первоначала вещей в пустоте необъятной мятутся.
Так о великих вещах помогают составить понятье
Малые вещи, пути намечая для их постиженья.
Кроме того, потому обратить тебе надо вниманье
На суматоху в телах, мелькающих в солнечном свете,
Что из нее познаешь ты материи также движения,
Происходящие в ней потаенно и скрыто от взора.
Ибо увидишь ты там, как много пылинок меняют
Путь свой от скрытых толчков и опять отлетают обратно,
Вечно туда и сюда разбегаясь во всех направленьях.
Задолго до появления современной увеличительной техники Лукреций, наблюдая аналог увиденного Броуном движения, пришел к выводу о существовании мельчайших частиц вещества. Броун подтвердил это, совершив одно из важнейших научных открытий.
Что такое Бозон Хиггса? Открытие «частицы Бога» в большом адронном коллайдере
Бозон Хиггса – это элементарная частица, которая была предсказана теоретически еще в 1964 году. Элементарный бозон, возникающий вследствие механизма спонтанного нарушения электрослабой симметрии.
Разберемся подробнее и постарается ответить простыми словами, что же представляет собой бозон Хиггса и что такое Поле Хиггса? Почему бозон Хиггса называют «частицей Бога» и почему это открытие так важно для науки?
Навигация по материалу:
«Стандартная модель» устройства вселенной
Для того, чтобы понять, что такое бозон Хиггса, нам придется обратиться к одной из самых известных теорий, описывающих то, как работает космос: Стандартной модели.
Эта модель пришла к нам в виде физических частиц, полей, которое физики постепенно заполняли строительными блоками по мере исследования Вселенной. Это происходило на протяжении веков и люди достигли существенного прогресса. Сначала мы обнаружили атомы, потом протоны, нейтроны и электроны, и наконец — кварки и лептоны (о них подробнее позже).
Да, можно смести все эти фигуры с доски и сдаться квантовой механике, но физики упорно держатся за Стандартную модель, многие из них ее уже ненавидят и хотят опровержения, которое позволит найти более удобную и красивую теорию о том, как построен мир элементарных частиц. Но пока безуспешно, и открытие бозона Хиггса еще более оттянуло тщательный пересмотр СМ.
Как говорится, ежики плакали и кололись, но продолжали есть кактус. В конце концов, Стандартная модель дает нам глубокое представление о типах материи и сил, более глубокое, чем любая другая физическая теория.
Стандартная модель была разработана в 1970-х годах. Вот вся суть СМ в нескольких предложениях: наша вселенная состоит из 12 различных частиц материи и четырех сил. Среди этих 12 частиц есть шесть кварков и шесть лептонов. Кварки образуют протоны и нейтроны, а члены семьи лептонов включают электрон и электронное нейтрино — его нейтрально заряженный антагонист.
Ученые полагают, что лептоны и кварки являются неделимыми: их нельзя разбить на более мелкие частицы. Наряду с этими частицами, Стандартная модель описывает четыре фундаментальных силы: гравитацию, электромагнитое, сильное и слабое взаимодействие.
Как теория, Стандартная модель работает хорошо, несмотря на ее неспособность вписаться в гравитацию. Благодаря этому, физики предсказали существование определенных частиц до того, как те были обнаружены экспериментально. И вот, на горизонте появился бозон Хиггса. Давайте выясним, как эта частица вписывается в Стандартную модель и Вселенную в целом.
Что такое бозоны и элементарные частицы?
Бозоны — это частицы, которые переносят взаимодействие между другими частицами, таким образом, любое притяжение или отталкивание между частицами происходит за счёт того, что они обмениваются бозонами.
Бозон Хиггса был последней частицей открытой в Стандартной Модели. Это критический компонент теории. Его открытие помогло подтвердить механизм того, как фундаментальные частицы приобретают массу. Эти фундаментальные частицы в Стандартной Модели являются кварками, лептонами и частицами-переносчиками силы.
Существует несколько разновидностей бозонов. Так к примеру широко известный фотон является переносчиком электромагнитного взаимодействия, глюон — сильного взаимодействия, а W- и Z-бозоны — слабого взаимодействия.
Согласно современным представлениям бозоны не должны иметь инертной массы, однако, W- и Z-бозоны ею обладают. Для объяснения этого явления британский физик Питер Хиггс постулировал существование некоего поля, получившего впоследствии его имя, из-за взаимодействия с которым W- и Z-бозоны приобретают инертную массу.
Это можно сравнить с пенопластовыми шариками, рассыпанными на поверхности стола, достаточно лёгкого дуновения ветра и их сметёт, а вот если рассыпать их на поверхность воды, то их движение будет замедленно, для W- и Z-бозонов роль воды выполняет поле Хиггса.
Квантами этого поля являются бозоны Хиггса, причём их может быть несколько видов и именно через них происходит взаимодействие поля с W- и Z- бозонами. На основе этого предположения были разработаны различные модели, описывающий этот бозон, но ни одна из них не могла предсказать его энергию.
В связи с этим поиски бозона Хиггса очень затянулись, учёным пришлось буквально перебирать все возможные варианты. Параллельно развивались модели без бозона Хиггса и между сторонниками двух подходов шли жаркие споры. Наконец в 2012 году на Большом Адронном Коллайдере был обнаружен первый кандидат в бозоны Хиггса с энергией 126 ГэВ, а в 2013 появились сообщения подтверждающие, что это действительно бозон Хиггса.
В 2015 году было заявлено о свидетельствах существования ещё двух видов бозона Хиггса с энергиями в 700 ГэВ и в районе 250-450 ГэВ. Американский физик Леон Макс Ледерман в своей книге назвал бозон Хиггса «goddamn particle» — проклятая или чёртова частица, но редактору это название не понравилось и в окончательной версии книги бозон Хиггса назвали «частицей Бога», и это название закрепилось за ним в массовом сознании.
Теория 1964-го года
В 1964 году шестеро физиков-теоретиков выдвинули гипотезу существования нового поля (подобно электромагнитному), которым заполнено все пространство и решает критическую проблему в нашем понимании вселенной.
Независимо от этого другие физики построили теорию фундаментальных частиц, названную в итоге «Стандартной Моделью», которая обеспечивала феноменальную точность (экспериментальная точность некоторых частей Стандартной Модели достигает 1 к 10 миллиардам. Это равнозначно предсказанию расстояния между Нью-Йорком и Сан-Франциско с точностью около 0.4 мм). Эти усилия оказались тесно взаимосвязаны.
Стандартная Модель нуждалась в механизме приобретения частицами массы. Полевую теорию разработали Питер Хиггс, Роберт Браут, Франсуа Энглер, Джералд Гуралник, Карл Хаген и Томас Киббл.
Какова масса бозона?
К несчастью, теория, предсказывающая бозон, не уточняла его массу. Прошли годы, пока не стало ясно, что бозон Хиггса должен быть экстремально тяжелым и, скорее всего, за пределами досягаемости для установок, построенных до Большого Адронного Коллайдера (БАК).
Помните, что согласно E=mc2, чем больше масса частицы, тем больше энергии надо для ее создания.
В то время, когда БАК начал сбор данных в 2010, эксперименты на других ускорителях показали, что масса бозона Хиггса должна быть больше, чем 115 ГэВ/с2. В ходе опытов на БАК планировалось искать доказательства бозона в интервале масс 115-600 ГэВ/с2 или даже выше, чем 1000 ГэВ/с2.
Каждый год экспериментально удавалось исключать бозоны с бОльшими массами. В 1990 было известно, что искомая масса должна быть больше 25 ГэВ/с2, а в 2003 выяснилось, что больше 115 ГэВ/с2.
Открытие бозона Хиггса в Большом Адронном Коллайдере (БАК)
Есть общепринятая теория того, как устроен мир на мельчайших масштабах и она называется — Стандартная Модель. Согласно этой модели, в нашем мире есть несколько совершенно разных типов вещества, которые регулярно взаимодействуют между собой.
Рассуждая о взаимодействиях, весьма удобно применять такие параметры, как масса, скорость и ускорение, что позволяет называть элементарные частицы чем-то вроде «частиц-переносчиков». Всего выделяют в данной модели 12 таких разновидностей.
11 из 12 частиц Стандартной модели наблюдались ранее. 12-ая частица — бозон, соответствующий полю Хиггса, придает многим остальным частицам массу, ограничивая их скорости движения. С некоторыми же частицами поле Хиггса не взаимодействует вовсе. Например, не оказывает влияния на фотоны и их масса равна нулю.
Теоретически бозон Хиггса предсказали в далеком 1964 году, но вот доказать его существование экспериментально смогли лишь в 2012 году. Все эти годы бозон искали не покладая рук!
До того, как заработал БАК, в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) был электрон-позитронный коллайдер, в Иллинойсе был Теватрон, но этих мощностей было недостаточно, чтобы провести необходимые эксперименты. Хотя, эксперименты все же давали определенные результаты.
Бозон Хиггса — тяжелая частица и обнаружить его крайне непросто. Суть эксперимента очень проста, но вот реализация с последующей интерпретацией результатов — настоящая проблема.
Итак, берут два протона и разгоняются до околосветовой скорости. В какой-то момент времени их сталкивают «лоб в лоб». Протоны «в шоке» от такого удара начинают рассыпаться на вторичные частицы. В ходе этого процесса и пытались зафиксировать бозон Хиггса.
Усложняет эксперимент тот факт, что существование бозона можно подтвердить лишь косвенно. Период существования бозон Хиггса критически мал, как и расстояние между точками возникновения и исчезновения. Измерить этот промежуток времени и расстояние — невозможно, но! Бозон Хиггса не исчезает бесследно и его кратковременное пребывание доказывается за счет «продуктов распада».
Это все равно, что искать иглу в стоге сена. Нет, в огромном стоге сена. Нет, в тысячах огромных стогов сена! Дело в том, что бозон Хиггса распадается с разной вероятностью на разные комбинации частиц. Например, это могут быть кварк-антикварк, W-бозоны или вообще тау-частицы.
В некоторых случаях распад трудно отличить от распада других частиц, в других случаях вообще не успевают фиксировать происходящее. Как стало известно, детекторы лучше всего фиксируют превращение бозона Хиггса в 4 лептона (фундаментальные частицы), но вероятность такого события составляет лишь 0,013%.
Полгода экспериментов на БАК и миллионы столкновений за одну секунду дали необходимый результат. Ученые зафиксировали те самые 4 лептона (целых пять раз).
Зафиксировать это позволили гигантские детекторы ATLAS и CMS, которые выявили частицу с энергией 125ГэВ (единица измерения в квантовой физике). Именно этот показатель соответствовал теоретическому предсказанию бозона Хиггса.
Вселенная колеблется на грани стабильности?
Спустя несколько месяцев после объявления об открытии физики сообщили о неожиданной находке. Бозон, который они наблюдали в ЦЕРН, похоже, распадался двумя разными способами.
Некоторые посчитали, что это две разные частицы Хиггса. Другие же решили, что это статистическое совпадение, так как разница между частицами слишком незначительна.
Итак, почему масса частицы имеет значение? Оказывается, передача такой большой массы бозоном Хиггса указывает на то, что вакуум Вселенной может быть нестабилен по своей природе, существуя в постоянном «метастабильном» состоянии.
Многие физики обсуждали вероятность того, что Вселенная долгое время колеблется на грани стабильности. В частности, физики Фрэнк Вильчек и Майкл Тернер, опубликовавшие в 1982 году статью в журнале Nature, предположили неутешительный сценарий: где-нибудь во Вселенной без какого-либо предупреждения может зародиться пузырь истинного вакуума, который будет передвигаться через пространство на скорости света, но прежде чем мы осознаем, что происходит, наши фотоны распадутся.
Как бы то ни было, открытие бозона Хиггса положило начало новым исследованиям и иному пониманию реальности. Ученые надеются, что это открытие приведет к разработке симметричной или даже суперсимметричной теории, которая расширит Стандартную модель и закроет присутствующие в ней дыры. Это, в свою очередь, поможет выяснить, что же такое темная материя — поле, которое, похоже, более неуловимо, чем поле Хиггса.
Польза которую несет открытие бозона Хиггса
Человеку, далекому от науки вообще и от физики в частности поиски некой элементарной частицы могут показаться бессмысленными, но открытие бозона Хиггса имеет немалое значение для науки. Прежде всего, наши знания о бозоне помогут при расчетах, которые осуществляются в теоретической физике при изучении строения Вселенной.
В частности, физиками было предположено, что бозонами Хиггса заполнено все окружающее нас пространство. При взаимодействии с другими элементарными частицами бозоны сообщают им свою массу и если есть возможность вычислить массу определенных элементарных частиц, то можно рассчитать и массу бозона Хиггса. А если у нас есть масса бозона Хиггса, то с ее помощью идя в обратную сторону, мы также можем рассчитывать массы других элементарных частиц.
Разумеется, все это очень дилетантские рассуждения с точки зрения академической физики, но ведь и журнал наш на то и научно-популярный, чтобы говорить о серьезных научным материях простым и понятным языком.
Угроза эксперементов с бозоном Хиггса (рекомендуем ознакомиться!)
Определения опасения по поводу бозона Хиггса и экспериментов с ним были высказаны британским ученым Стивеном Хокингом.
Согласно Хокингу, бозон Хиггса является крайне не стабильной элементарной частичкой и в результате определенного стечения обстоятельств может привести к распаду вакуума и полному исчезновению таких понятий как пространство и время. Но теоретически, для того, чтобы произошло нечто подобно необходимо построить коллайдер размером со всю нашу планету.
Рекомендуем посмотреть это видео о работе Большого Адронного Коллайдера в ЦЕРНе:
Известные свойства бозона Хиггса
Исследования продолжаются
Открытие бозона Хиггса можно смело назвать одним из самых важных открытий в нашей недолгой истории. Когда-то давно любознательность наших предков вывела их из Африки и побудила исследовать мир. Сегодня мы знаем о четырех фундаментальных взаимодействиях природы, которые помогают нам понять, как устроен мир в тончайших деталях.
Исследования продолжаются, и ученые, работающие на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе и других ускорителях частиц, достигают все больших энергий — и даже добились создания капель кварк-глюонной плазмы (сегодня она считается первичным веществом, которым было заполнено все пространство сразу после Большого взрыва).
К 2030 году в Китае планируют построить самый большой и мощный ускоритель частиц, который поможет проводить новые эксперименты на более высоких энергиях. Будем надеяться, что он поможет заглянуть глубже в саму структуру реальности. А пока нам остается только ждать и следить за результатами экспериментов.