Насколько малы элементарные частицы?

Размер, длина волн и шкалы температур/энергий, соответствующие различным частям электромагнитного спектра

Если взять любое количество материи, сколь угодно малое или большое, то по поводу его состава будут только две возможности: либо его можно разделить на что-то поменьше, либо оно фундаментально и неделимо. Большую часть XIX века мы считали, что атомы и есть те самые фундаментальные мельчайшие сущности, поскольку греческое слово ἄτομος и означает буквально «неразрезаемый». Но теперь мы знаем больше, и можем делить атомы на ядра и электроны, а ядра можно делить не только на протоны и нейтроны, но и они сами могут быть разделены на более фундаментальные кварки и глюоны. Но откуда нам вообще известен их «размер»? Наш читатель спрашивает:

Что учёные имеют в виду, говоря о размере элементарной частицы?

Размер – понятие сложное, но квантовая механика спешит нам на помощь.

Молекула пентацена через атомный микроскоп IBM с разрешением в 1 атом

Изображение вверху было сделано методом, не сильно отличающимся от обычной фотографии – и это фото отдельных атомов внутри относительно простой молекулы. То, что свет – это волна, позволяет делать фотографии объектов определённого размера, но не чего угодно с размером сколь угодно малым. У света есть определённая длина волны, поэтому он может взаимодействовать с тем, что примерно равно или больше этой длины, но не меньше. Именно поэтому:

• Нам нужны относительно большие антенны для улавливания радиоволн, поскольку их длины волн требуют антенн значительного размера.

• Отверстия в дверце микроволновки не дают волнам выходить наружу – их длины волн больше размеров отверстий.

• Почему крохотные крупинки пыли в космосе способны отлично блокировать коротковолновый (голубой) свет, хуже блокируют более длинные волны (красные) и совершенно прозрачны для ещё более длинных волн (инфракрасных).

Слева – видимый диапазон, справа – инфракрасное фото глобулы Barnard 68

Чтобы измерить размеры мельчайших частиц, требуются фотоны всё меньшей и меньшей длины волны. Поскольку энергия фотона и его длина волны обратно пропорциональны друг другу, вам нужно всё больше и больше энергии, чтобы заглядывать в меньшие масштабы.

Но использование фотонов – не единственный вариант. Возможно использовать любые частицы высоких энергий для зондирования размеров материи. Одно из забавных правил квантовой механики состоит в том, что вести себя как волны могут не только частицы света, но и вообще все частицы – включая и такие составные, как протоны, и невидимые (пока что), как электроны. Добравшись до высоких энергий и совершив столкновение с неподвижной мишенью, мы можем либо определить размер частицы, не являющейся фундаментальной, пронаблюдав за её распадом, или же определить, что если частица не фундаментальная, она продемонстрирует это свойство только при размерах, меньших какого-то определённого.

Именно такая техника позволила нам определить, что:

• Атомы – не неделимые, они состоят из электронов и ядер с размерами порядка 1 Å, или 10-10 м.

• Ядра тоже можно расщепить на протоны и нейтроны, размер которых составляет порядка 1 фм, или 10-15 м.

• А если бомбардировать частицы внутри протонов и нейтронов – кварки и глюоны – высокоэнергетическими частицами, они не демонстрируют никакой внутренней структуры, как и электроны.

Мы определили для каждой из частиц Стандартной Модели, что если у них составная природа, или же есть некий физический размер, отличающийся от точки, то этот размер должен быть не больше, чем 10-19 м.

 

Нам это может не казаться странным, но было время, когда людям ещё не была знакома квантовая механика, но при этом было знакомо уравнение E = mc2. Если принять, что у электрона именно такой заряд, каким его измерили, и что за его массу отвечает электрическая потенциальная энергия, то можно подсчитать его размер – эта величина известна, как классический радиус электрона. Оказалось, что это довольно малая величина:

Но мы уже знаем, что это не так. Эта величина оказалась намного больше размера протона, примерно на три порядка. Иначе говоря, частицы, которые мы находим, оказываются по природе своей истинно квантовыми, а это значит, что если мы будем подниматься до сколь угодно больших энергий, то истинно фундаментальные частицы должны быть точечными.

Так что, когда мы рассуждаем о размере элементарных частиц, мы говорим о поисках чего-то истинно фундаментального. Действительно ли частицы Стандартной Модели неделимы? Если так, мы должны суметь подниматься до всё больших энергий, и не обнаруживать ничего, что отличалось бы от поведения точечных частиц, вплоть до планковской энергии, то есть до масштабов порядка 10-35. На меньших масштабах физика уже не даёт осмысленных предсказаний, но мы продолжаем приближаться к ним. Возможно, по пути мы обнаружим, что некоторые (или все) эти частицы можно разбить на другие, или же что они состоят из струн или мембран, или же что они – просто точки. Но всё, что нам известно на сегодня касаемо реальных размеров частиц, относится к частицам, не являющимся фундаментальными. Всё остальное – лишь верхние пределы, и поиски путей приближения к меньшим масштабам продолжаются.

Источник