Pull to refresh

Comments 58

По моему, у вас больше похоже на справочник получилось. Популяризаторы, типа Брайана Грина, пишут целые книги, охватывая те же темы, что и в статье. И то не просто читается.
Да, наверное так оно и есть ;) Я попытался в одной статье охватить целиком тему стандартной модели, наверное поэтому получилось чрезмерное нагромождение информации.
Да какое нагромождение? Читал-читал, и тут вдруг уже все :(
Под нагромождением я подразумевал слишком много новых терминов в каждой строке :) Если эта статья будет пользоваться хоть каким то интересом, я постараюсь написать ещё несколько на эту тему. В них уже более подробно будет рассказываться о каждой частице, её свойствах, а так же о Большом Адронном Коллайдере, который сыграл немаловажную роль в развитии физики элементарных частиц.
Терминов много… нужно объяснять по ходу дела или давать ссылки. Представьте, что объясняете своему ребёнку — что бы он уточнял?
фермионам для выживания по законам квантового мира необходимо некоторое пространство, в то время как их коллеги — бозоны могут спокойно триллионами жить прямо друг на друге.

Это неверно. Бозоны могут занимать один и тот же энергетический уровень, а не одно и то же место в пространстве. Например, атом гелия — бозон, но в количестве «триллионов в одной точке» он явно не наблюдается.
Насчёт атома гелия Вы действительно привели очень интересный тезис, я над ним подумаю. Однако,
Бозоны вообще не занимают никакого места. Два бозона или два триллиона бозонов — всё равно сколько — могут с лёгкостью разместиться в том же пространстве, сидя прямо друг на друге.
— опять таки цитирую Шона Кэрролла.

Возможно, я действительно что то не понимаю в данном вопросе, и сейчас лишь ввожу Вас в заблуждение ;)
Это довольно распространенное заблуждение (возможно, цитата Кэррола неверно переведена или взята из контекста). Бозоны могут занимать одно состояние в пространстве импульсов (это и называется Бозе-конденсацией). В каком-то смысле это значит, что все бозоны двигаются синхронно, находясь при этом на каком-то расстоянии друг от друга.

С другой стороны, при Бозе-конденсации бозоны занимают уровень с минимальной энергией. Если повезет, то могут и триллионами =). Для фермионов это невозможно по принципу Паули: на одном уровне может быть один фермион со спином «вверх» и один «вниз», и не более.

Еще одно объяснение: есть такое понятие как длина волны де Бройля, описывающая «размер» волновой функции любого объекта. Она пренебрежимо мала при высоких температурах, зато может достигать нескольких микрон вблизи абсолютного нуля. Если поместить несколько бозонов ближе друг к другу, чем длина волны де Бройля, то они в каком-то смысле будут находиться в одном квантовом состоянии и будут вести себя как единое целое. Фермионы же в таких условиях начнут отталкиваться.

Если интересно, можете взглянуть на Нобелевские лекции, посвященные открытию Бозе-конденсации.
Большое спасибо за информацию! Учту в дальнейшем :)
а как же тогда атомы существуют, одна пара фермионов на орбитали на все атомы?
Помните со школы всякие 1s22s22s6? Это оно и есть: на первом уровне (1s) — два электрона, на s-орбитали второго (2s) — два электрона, на p-орбитали второго (2p) — шесть электронов, то есть три пары для трех разных проекций углового момента. И так далее. В ядре все немножко хитрее, но в целом похоже.
одна пара фермионов на орбитали на все атомы? — Вы ответили ДА??? Учите физику, то, что Вы пишите это список орбиталей, причем «водородоподобного» атома. АТОМА! С молекулами нет до сих пор, есть странный гибрид классической физики и квантовой, орбитали могут гибридизироваться и какое квантовое число им относить? В бензоле шесть орбиталей гибридизировано в кольцо, атомный силовой микроскоп его видит как кольцо, но это одинаковые атомы углерода. А вот объясните мне почему фторо водород, а не гепто-гидрид фтора? оксид водорода, а не гидрид кислорода с точки зрения квантовой физики?

И, да, я могу принять, что в нашей вселенной все элементарные частицы только в одном экземпляре, но с разными квантовыми состояниями в разных точках вселенной (как завещал Великий Фейнман), но это теория, и не очень признанная в современной науке.
список орбиталей, причем «водородоподобного» атома
С молекулами нет до сих пор
Учите физику

А, это типа юмор. Люблю юмор.
Как Вы заметили, я тоже ) Но как и в любой шутке есто только доля шутки, и похоже дело движется

http://phys.org/news/2015-08-scientists-explore-energy-chemical-reactions.html

хотя очень медленно, как мне кажеся…
Если бозоны находятся слишко близко друг от друга — их волновые функции будут интерферировать, и в таком случае говорить об отдельном бозоне уже будет некорректно, это будет новый объект — конденсат в целом.
Ну с атомами гелия проблема-то в том, что они всё-таки взаимодействуют — как минимум, кулоновское взаимодействие никто не отменял. С точки зрения теории, «напихать» невзаимодействующих бозонов в одну «точку пространства» вообще не проблема. С точки зрения эксперимента — не знаком с конкретным, увы, но мысленный можно придумать — взять современные установки по «холодным атомам»: сделали лазерную ловушку, поймали там несколько сот атомов во вполне себе малых размерах «ячейке» — вот и бозе-конденсат в реальном, а не импульсном пространстве.
поймали там несколько сот атомов во вполне себе малых размерах «ячейке»

Там вполне конкретный лимит по плотностям, сделать «триллионы друг на друге» не получится. Маленьким может быть, это да.
Это правда. Но в свое оправдание скажу, что лимит всё-таки не принципиальный, не наложенный квантовой механикой, а скорее нынешними экспериментальными технологиями, доступными человеку. В конце-концов, холодные атомы — наука достаточно свежая, ей около десятка лет.
Атом гелия, в свою очередь, состоит из двух нейтронов и двух протонов, составляющих атомное ядро, вокруг которого вращаются два электрона.


Раз уж статья для начинающих, то позволю себе следующие идиотские вопросы относительно электронов:
* что значит вращаются? в какой-то плоскости? вообще аналогия с планетарной системой хоть сколько-нибудь тут уместна?
* каким образом обосновывается, что электрон в атоме это именно электрон, а не какое-нибудь особое состояние ядра атома, в котором атом обростает атомными орбиталями? и при изменении этого состояния наружу мог бы спокойно вылетать (или поглощаться) электрон?
Частичный ответ на Ваш вопрос написал ниже :)
Второй вопрос просто супер, хотя в формулировке уже есть… ну, не ответ, конечно, но в каком-то смысле намёк на ответ, что ли.
Краткий ответ на второй вопрос: модели, модели, модели…
Стандартная модель хороша тем, что пока что у неё всё очень хорошо с объяснением эксперимента. Гораздо лучше, чем у «альтернативных» теорий. Поэтому физики продолжают с ней работать.
А вот в рамках этой самой модели ответить на второй вопрос просто. Лептонный заряд сохраняется — если вылетает электрон, значит «внутри» был либо электрон, либо электронное нейтрино. А связанных состояний (т.е атомов/ядер) с нейтрино в рамках Стандартной Модели, насколько мне известно, никто не предсказывал по многим причинам (слишком лёгкое, слишком быстрое — всё это приведёт к ужасной нестабильности такого рода состояния).
Есть, конечно, вариант в духе бета-распада, когда никакого лептона внутри не было, а вылетел анти-лептон (то есть электронное анти-нейтрино или позитрон). Ну так эти вещи тоже можно «отловить» в эксперименте, чего никто не делал.
Собственно вопрос про то, есть ли электрон в атоме как именно электрон был к следующему:
допустим я хочу пооблучать атом для того, чтобы перевести часть его электронов на более высокие уровни — я должен облучать сами электроны где-то на их орбиталях с необходимостью попасть фотоном именно в этот электрон где-то там летающий, или (если там электронов вообще нет, а атомные орбитиали это некоторое свойство ядра а-ля форма проявления отрицательного заряда в атоме) мне достаточно облучать само ядро? и обратное — при излучении фотонов со стороны атома — фотоны излучаются электронами при изменении их уровня или ядром?
Процесс рождения фотона — существенно квантовый, и экспериментально отследить, кто же на самом деле рождает фотон, практически невозможно. Ровно как и «попасть» фотоном в электрон или атом.
Даже на теоретическом уровне этот вопрос не очень осмысленнен. Говорить о фотоне как об отдельной сущности имеет смысл, когда он далеко от атома и уже не взаимодействует с ним. Пока он находится очень близко — он очень сильно с ним запутан, там имеется много виртуальных частиц и т.п.
Вы задали очень интересные вопросы! Постараюсь на них ответить :)

Изначально, согласно одной из первых моделей атома, созданной английским физиком Эрнестом Резерфордом, электроны действительно вращались вокруг ядра на самых разных расстояниях, подобно планетам Солнечной системы, с той лишь разницей, что в модели атома на них действовала не сила тяжести, а электромагнитная сила.
Но датский физик Нильс Бор, использовавший в определении структуры атома более прогрессивные идеи квантовой механики, создал модель, которую мы и по сей день видим во всех учебниках и справочниках. Дело в том, что Бор модифицировал модель Резерфорда, и установил ограничение, согласно которому, электроны находятся на своих определённых орбитах, и вращаются по определённой траектории.
Но и схема Бора нас чуть-чуть обманывает. Дело в том, что согласно современным законам квантовой механики, электрон в реальности не имеет точного положения или скорости. Квантовая механика говорит нам о том, что электрон лишь существует в виде облака вероятностей — волновой функции, которая уже и показывает, где бы мы увидели частицу, если бы начали за ней наблюдение.

Насчёт второго вопроса я подумаю, как лучше сформулировать ответ, и в течении некоторого времени напишу.
>> Квантовая механика говорит нам о том, что электрон лишь существует в виде облака вероятностей — волновой функции, которая уже и показывает, где бы мы увидели частицу, если бы начали за ней наблюдение.
Частица существует только в момент измерения либо импульса, либо положения, все остальное время она «существует» как облако вероятности…
UFO landed and left these words here
Вот опять статья про элементарную физику.
Снова задам вопрос который я не могу осмыслить или понять.
Все пишут про некое поле. Но как вообще себе представить поле? Что это?
Ничего с чем то, где все висит. Или пространство заполнено чем то? Чем?
Вот например магнитное поле или поле хигса, чем оно наполнено. Как физически это понять?
Как то на пальцах что-ли поясните.
Как я уже упоминал в статье, есть такой момент, как корпускулярно-волновой дуализм, который говорит нам о том, что мир — это и поле, и набор элементарных частиц, здесь все зависит лишь от наблюдателя.
Грубо говоря, понятие поле было придумано человеком только для упрощения собственных расчётов, и это не значит, что наш мир действительно выглядит, только как набор различных полей.
Поля нужны там, где объяснить какое-то явление с точки зрения крошечных частичек очень трудно, такое, например происходит со светом. Учёные долго бились над загадкой, почему свет ведёт себя то как волна, то как набор одиночных фотонов. Но когда сформировалось понятие корпускулярно-волнового дуализма, и была объяснена двойная природа света, наука пришла к выводу, что одиночный фотон определенной частоты можно описать ещё и как простую синусоидальную волну.

Наглядно представить себе, что такое поле — действительно очень трудно. Максимально близким к реалии будет примерно такое описание: поле является возмущением (колебанием) какой-то, пусть и воображаемой, но сплошной и ровной среды, заполняющей всё пространство вокруг. А в природе всегда можно найти самую наглядную и масштабную иллюстрацию поля — это океан, который постоянно наполнен волнами, которые возмущают его ровную гладь.

Если то, что я описал, недостаточно понятно\наглядно, пишите — постараюсь подобрать более удачные примеры! :)
Если то, что я описал, недостаточно понятно\наглядно, пишите — постараюсь подобрать более удачные примеры! :)
Непоня-я-ятно!
image

А в природе всегда можно найти самую наглядную и масштабную иллюстрацию поля — это океан, который постоянно наполнен волнами, которые возмущают его ровную гладь.
Но поверхность океана двумерная и её возмущение легко вообразить. А как представить колебания в пространстве бóльшей размерности? А как представить плоское трёхмерное пространство и его искривление?
Вот как выглядят колебания в трёхмерном пространстве. Красный/синий это значение параметра (например: электрический заряд) в данном координате.

видео

Звук — это волны плотности в воздухе.
HabraBugger оставил хороший комментарий, я же попробую зайти немного с другой стороны. Любая картина реальности, которая есть в голове человека, — это определенная модель реальности, но не сама реальность как она есть. Отсюда, любая физическая теория не претендует на то, чтобы утверждать строго: "реальность вот такая вот и точка". Физическая теория использует модель реальности, которая позволяет описывать происходящее с определенной точностью + такая модель претендует на то, чтобы давать предсказания о развитии ситуации с определенной точностью.

На примерах.
Ньютоновская механика — это физическая модель, которая позволяет прекрасно описывать окружающую нас действительность с точки зрения взаимодействия различных тел друг с другом. Во времена Ньютона люди практически не могли получить опыта, который бы не вписывался в эту модель. Скорость бега лошади или плавание на корабле прекрасно описывались этой моделью с высокой предсказательной силой.
Сейчас, например, для навигационных спутников, мы пользуемся другой моделью — СТО. Ньютоновская механика дает слишком заметные расхождения с наблюдаемым опытом, СТО позволяет эти расхождения устранить до приемлемого уровня.

Конечно, я немного упростил.

Чем более абстрактная модель, тем сложнее в ней что-то «представить». Но это не мешает использовать ее математический аппарат для того, чтобы описывать и предсказывать события. В этом ключе представить, например, дуализм света как волны и частицы крайне затруднительно. Но это не мешает использовать соответствующие модели и получать точные результаты.

С цветом/запахом кварков ситуация еще интересней. Это просто именование свойства. Оно не имеет ни малейшего отношения к зрению или обонянию. Это именование используется в рамках модели для упрощения оперирования ею. Не нужно пытаться себе представить «цвет» кварка. Не стоит даже пытаться представить сам кварк. Это не имеет смысла в рамках физического опыта человека.

Чтобы понять, что такое поле, не нужно представлять себе поле. Нужно изучить теоретическую модель, в которой используется это понятие.
Поле это неравномерное распределение какого-то параметра/величины в пространстве. Простейший пример — градиент созданный в фотошопе.

картинка
image


Это двухмерное цветовое поле. Можно также представить похожую конструкцию в 3D или в 1D.

Форма поля может быть разная. Например вот такая:

картинка
image


Зависит это от того как поле было создано. Примеры выше вымышленны, поскольку мы, как фотошопперы, как хотим так и рисуем. Но, если поле образованно природным способом то форма будет специфическая — например излучающая радио антенна будет иметь поле цилиндрической формы.

Объекты находящиеся внутри поля могут быть к нему нейтралны, или могут с ним взаимодействовать. Если объект к полю нейтрален то никакой реакции на поле у него не будет. А можно представить курсор мыши который будет тянуться к чёрному цвету. И вот, навели вы его на окраину поля и его начинает тянуть на наиболее чёрную точку. Так он в конце концов окажется в середине круга из второй картинки. Или другой пример — курсор вращающийся вокруг своего центра в зависимости от интенсивности чёрного цвета — на окранине медленно, в центре быстро.

А теперь вместо картинки в 2D представляем провод подключенный к (+) батарейки, а вместо курсора мыши электрон. Это будет электрическое поле в котором сила заряда будет сильнее ближе к проводу. Оно будет откланять полёт электрона, потому что заряд электо энергии его отталкивает.
Сами бозоны же с друг другом не взаимодействуют.
А как же глюон-глюонное взаимодействие?
Действительно, некоторые бозоны всё же между собой взаимодействуют. Но я решил пока что не вдаваться в подробности, т.к статья рассчитана для абсолютного новичка ;)
Если всё таки удастся опубликовать серию статей о микромире, там уже более подробно постараюсь осветить все эти непростые аспекты.
Если уж быть совсем занудным, не только глюоны с глюонами, но и W± и Z бозоны взаимодействуют друг с дружкой и с фотонами в рамках электрослабой теории :)
Нет, ну это не является непосредственным взаимодействием, которое имелось в виду а посредством виртуальных электронов. В противном случае всё взаимодействует со всем, и обсуждать этот вопрос бессмысленно :)

Электроны, например, как ни странно, друг с другом не взаимодействуют. Зато взаимодействуют с ЭМ полем, что даёт эффективное кулоновское взаимодействие между электронами, всем хорошо известное.
Отдельное спасибо за понятное описание слабого взаимодействия!
Обычно оно везде упоминается примерно так:

image
Было бы очень интересно почитать про слабое взаимодействие.
Этот вид взаимодействия я постараюсь более подробно осветить в одной из следующих статей об элементарных частицах :)
Прошу прощения за полную образованность, но у меня до сих пор не укладывается в голове: как? как можно было всё это теоретизировать, а потом еще и выявить, раздробить и исследовать?!
Физики элементарных частиц (теоретики) всегда выдвигали различные предположения по устройству нашего мира. Пусть это были и самые смелые и неоднозначные идеи, но их было всегда в достатке. А затем уже экспериментаторы, пристально следившие за теоретиками, начинали проверять каждое из этих предположений на опытах. Разумеется, наиболее сильный скачок произошел с постройкой БАКа. Но и до него технологии позволяли исследовать микромир, пусть и не так подробно.
Достаточно вспомнить опыты экспериментатора Карла Андерсона, который в своей конденсационной камере (аналог камеры Вильсона), исследовал треки заряженных частиц, прилетающих к нам из космоса. И там обнаружил античастицу электрона — позитрон. А само существование такого явления, как античастица, нам предсказал теоретик Поль Дирак.
Постепенно. Я представляю себе это как-то так:
началось всё с уравнений Максвелла, классической теории поля — электродинамики — и открытия в ней калибровочной инвариантности. Тогда на это внимания много не обращали; однако, когда возникла квантовая механика, люди поняли, что эта инвариантность — ключ к построению квантовой теории поля.
Теоретики стали исследовать так называемые калибровочные теории поля; в этих теориях поля имеются локальные (так называемые калибровочные) симметрии, задаваемые группами Ли. Было выяснено, что квантовая электродинамика соответствует самой простой группе Ли, что только может быть — U(1). А дальше стали смотреть на чуть более сложно устроенные группы, делать предсказания (что будет в реальном мире для такой теории) — и выяснили, что «следующая по простоте» группа SU(2) прекрасно описывает слабое взаимодействие, и картинка с W± и Z-бозонами, нейтрино — восхитительно объясняется. Если взять следующую группу — SU(3) — то она опять же прекрасно описывает кварки и 8 типов глюонов.

Наверно, понятно из этого немного. Но суть сводится к тому, что в основе понимания квантовой теории поля и Стандартной Модели лежит симметрия. Три простейшие(sic!) непрерывные симметрии — SU(3), SU(2), U(1) — полностью составляют Стандартную модель. Задав же симметрию, теоретики могут полностью предсказать, какие частицы (кварки, лептоны), какие переносчики взаимодействия (глюоны, W± и Z бозоны, фотоны), сколько разных типов/поколений будет, как они будут взаимодействовать. А симметрии-то, повторюсь, простейшие! И таким образом, всё это выстраивается в очень красивую и последовательную теорию, которую за это так и любят теоретики.

Немного особняком стоит механизм Хиггса с бозоном, названным в честь него. Понимание того, зачем он нужен объяснить ещё тяжелее; сейчас скажу лишь, что «ноги растут» опять из симметрий — в электрослабой теории они нарушались, если у частиц есть масса (а она, очевидно, есть :) ). Поэтому теоретиками был придуман механизм, который разрешает эту проблему и «восстанавливает справедливость» — механизм появления массы, механизм Хиггса.
Чем меньше масса элементарной частицы, тем больше места она занимает. Именно по этой причине электроны, которые в 2000 раз легче протона, занимают гораздо больше места по сравнению с ядром атома.

А почему так? У меня (дилетанта в этой области) сразу появилось предположение:
Большая масса удерживает частицу в меньшем пространстве, по аналогии с гравитацией. Но тут гравитации быть, наверное, не может — значит что-то другое.
У меня другое мнение дилетанта, если позволите:
Чем больше масса частицы, тем сильнее у неё проявляются квантовые свойства и слабее волновые. Поэтому её волновая функция не так «размазывается» в пространстве.
Предположим, что речь снова идет о волновой функции частицы, точнее — о волнах де Бройля. Поскольку эта функция (т.е. плотность вероятности нахождения частицы в той или иной точке пространства) имеет вид волны (волнового пакета), то можно попытаться определить ее длину. По формуле де Бройля эта длина обратно пропорциональна массе частицы и ее скорости. То есть массивная частица имеет меньшую длину волны, ее волновой пакет хорошо локализуется. А легкая частица, имеющая ту же скорость, оказывается размазанной в пространстве :)
В статье говорится, что электрон не имеет массы. Тогда чем можно объяснить давление света? С одной стороны, вспомнил опыт, который нам в школе показывали на уроке физики — с вертушкой Крукса, да в сети нашел объяснение вращения крыльчатки под действием света — дескать, «разгоняет» крыльчатку не свет, а разное давление воздуха… Да, но… тогда что же измерил П. Н. Лебедев в 1901 году, определив силу давления света на твёрдое тело? Может ли фотон, не имея массы, оказывать давление на тело? Если да — то каков механизм этого явления? Насколько я помню объяснения Р. Фейнмана, фотоны поглощаются атомами тел, на которые падает свет, в результате чего атом получает дополнительную энергию, которую излучает опять же в виде фотона — или обратно в пространство, откуда первый фотон прилетел, или в любую другую сторону (кстати, из этого следует умопомрачительный вывод, что на самом-то деле «прозрачное» стекло вовсе и не прозрачно — в смысле, не пропускает фотоны! оно поглощает фотоны с одной своей стороны и излучает их с обеих сторон — то, что мы видим как отражённый и как «прошедший» сквозь стекло свет)…
интересно… а за что три «минуса»-то? если чего-то не знаю, то поправьте меня, возразите в своём комментарии, а то — ни за что ни про что, и сразу три минуса… в карму… а-а-а, я понял, это прилетело три электрона с отрицательным зарядом… ну-ну… что же, пусть эти «электроны» останутся на совести «заминусовавших»…
Фотон не обладает массой, но импульсом (энергией). Давление света — процесс переноса импульса фотона на тело: по закону сохранения импульса тело начинает двигаться под действием света. Масса вообще тут не при чем.
А минусы за то что такие банальные вещи ищутся в википедии за три секунды.
интересно… а за что три «минуса»-то?
ну, если «минус» не один, то поставил не один человек. Могу предположить, что в частности за то, что
В статье говорится, что электрон не имеет массы.
На самом деле в статье ТАКОЕ естественно не говорится, и мне это по глазам резануло (однако тогда «минусовать» я не стал, так что с моим там было бы четыре «минуса»)
Only those users with full accounts are able to leave comments. Log in, please.