Der Atomismus, dh die Lehre von der Existenz der kleinsten unteilbaren Teilchen, aus denen die Materie besteht, entstand lange bevor die Wissenschaftler ihre Bestimmungen experimentell überprüfen konnten. Dabei stellte sich jedoch heraus, dass der Mikrokosmos nicht nur mit Atomen gefüllt ist, sondern auch mit noch kleineren Partikeln, die erstaunliche Eigenschaften aufweisen.
Mr. Lubin Mikrokosmos
Das Konzept des "Atoms" wurde von John Dalton, einem Schullehrer aus Manchester, der im frühen 19. Jahrhundert eine überzeugende Theorie der chemischen Wechselwirkung entwickelte, wieder in die wissenschaftliche Anwendung gebracht. Er kam zu dem Schluss, dass es in der Natur einfache Substanzen gibt, die er "Elemente" nannte und die jeweils aus Atomen bestehen, die nur für ihn charakteristisch sind. Dalton führte auch das Konzept des Atomgewichts ein, das es ermöglichte, die Elemente innerhalb des berühmten Periodensystems zu ordnen, das Dmitry Mendeleev im März 1869 vorschlug.
Die Tatsache, dass es neben Atomen noch einige andere Teilchen gibt, begannen Wissenschaftler zu erraten, als sie elektrische Phänomene untersuchten. 1891 schlug der irische Physiker George Stoney vor, ein hypothetisch geladenes Teilchen als Elektron zu bezeichnen. Nach 6 Jahren stellte der Engländer Joseph Thomson fest, dass das Elektron viel leichter ist als das Atom des leichtesten Elements (Wasserstoff), nachdem er das erste der fundamentalen Teilchen entdeckt hatte.
1911 schlug Ernest Rutherford auf der Grundlage experimenteller Daten ein Planetenmodell des Atoms vor, nach dem sich in seinem Zentrum ein dichter und positiv geladener Kern befindet, um den sich negativ geladene Elektronen drehen. Das subatomare Teilchen mit einer positiven Ladung, aus dem sich Kerne zusammensetzen, wurde als Proton bezeichnet.
Bald erwartete eine weitere überraschende Entdeckung die Physiker: Die Anzahl der Protonen in einem Atom entspricht der Anzahl eines Elements im Periodensystem. Dann stellte sich die Hypothese auf, dass die Zusammensetzung der Atomkerne einige andere Teilchen enthält. 1921 schlug der amerikanische Chemiker William Harkins vor, sie Neutronen zu nennen, aber es dauerte weitere 10 Jahre, um Neutronenstrahlung aufzuzeichnen und zu beschreiben, deren Entdeckung bekanntlich für die Entwicklung der Kernenergie von zentraler Bedeutung war.
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Phantome der Antiwelt
In den frühen 1930er Jahren kannten die Physiker vier grundlegende Teilchen: Photon, Elektron, Proton und Neutron. Es schien, dass sie ausreichten, um den Mikrokosmos zu beschreiben.
Die Situation änderte sich dramatisch, als Paul Dirac die theoretische Möglichkeit der Existenz von Antielektronen nachwies. Wenn ein Elektron und ein Anti-Elektron kollidieren, erfolgt die Vernichtung mit der Freisetzung eines hochenergetischen Photons. Zuerst glaubte Dirac, dass das Proton das Anti-Elektron ist, aber seine Kollegen verspotteten seine Idee, weil dann alle Atome der Welt sofort vernichten würden. Im September 1931 schlug der Wissenschaftler vor, dass es ein spezielles Teilchen (später Positron genannt) geben muss, das aus einem Vakuum entsteht, wenn harte Gammastrahlen kollidieren. Es wurde bald klar, dass Wissenschaftler ein solches Teilchen früher registriert hatten, aber seinen Manifestationen keine vernünftige Grundlage geben konnten. Die Entdeckung des Positrons legte nahe, dass Proton und Neutron dieselben Analoga aufweisen müssen.
Der russische Physiker Vladimir Rozhansky ging noch einen Schritt weiter und veröffentlichte 1940 einen Artikel, in dem er argumentierte, dass einige Körper im Sonnensystem (zum Beispiel Meteoriten, Kometen und Asteroiden) aus Antimaterie bestehen. Die gebildete Öffentlichkeit, vor allem Science-Fiction-Autoren, nahm die Idee auf und glaubte an die physische Realität der Anti-Welt, die irgendwo in der Nähe existiert.
Der Prozess der künstlichen Gewinnung von Antiteilchen erwies sich als ziemlich mühsam: Dafür musste ein spezieller Bevatron-Beschleuniger gebaut werden. Mitte der 1950er Jahre wurden darauf Antiprotonen und Antineutrone nachgewiesen. Seitdem war es trotz der steigenden Arbeitskosten möglich, nur vernachlässigbare Mengen an Antimaterie zu erhalten, so dass die Suche nach ihren natürlichen "Ablagerungen" fortgesetzt wird.
Die Hoffnung der Befürworter der Rozhansky-Hypothese wird durch die registrierte Diskrepanz (um den Faktor 100!) Zwischen der theoretisch vorhergesagten und der tatsächlichen Intensität der Antiprotonenflüsse in kosmischen Strahlen beflügelt. Diese Diskrepanz kann unter anderem mit der Annahme erklärt werden, dass es irgendwo außerhalb unserer Galaxie (oder sogar der Metagalaxie) wirklich eine riesige Region gibt, die aus Antimaterie besteht.
Schwer fassbares Teilchen
Im Jahr 1900 stellten Physiker fest, dass die durch radioaktiven Zerfall erzeugten Betastrahlen tatsächlich Elektronen sind.
Im Verlauf weiterer Beobachtungen stellte sich heraus, dass die Energie der emittierten Elektronen unterschiedlich ist, was eindeutig gegen das Gesetz der Energieerhaltung verstößt. Keine theoretischen und praktischen Tricks halfen zu erklären, was geschah, und 1930 forderte Niels Bohr, der Patriarch der Quantenphysik, die Aufhebung dieses Gesetzes in Bezug auf die Mikrowelt.
Ein Ausweg wurde vom Schweizer Wolfgang Pauli gefunden: Er schlug vor, dass beim Zerfall von Atomkernen ein weiteres subatomares Teilchen freigesetzt wird, das er Neutron nennt und das von den verfügbaren Instrumenten nicht nachgewiesen werden kann. Da zu diesem Zeitpunkt das zuvor vorhergesagte Neutron schließlich entdeckt wurde, wurde beschlossen, das hypothetische Pauli-Teilchen als Neutrino zu bezeichnen (später stellte sich heraus, dass während des Beta-Zerfalls kein Neutrino, sondern ein Antineutrino geboren wird).
Obwohl die Idee der Neutrinos anfangs mit Skepsis aufgenommen wurde, übernahm sie im Laufe der Zeit den Verstand. Gleichzeitig trat ein neues Problem auf: Das Partikel ist so klein und hat eine so unbedeutende Masse, dass es praktisch unmöglich ist, es selbst beim Durchgang durch die dichtesten Substanzen zu fixieren. Die Forscher gaben jedoch nicht auf: Als Kernreaktoren auftauchten, gelang es ihnen, als Generatoren eines starken Neutrino-Flusses eingesetzt zu werden, was 1956 zu seiner Entdeckung führte.
"Ghost" -Partikel lernten sich zu registrieren und bauten sogar ein riesiges Neutrino-Observatorium "Ice Cube" in der Antarktis, aber sie selbst bleiben größtenteils ein Rätsel. Zum Beispiel gibt es eine Hypothese, dass Antineutrinos wie ein gewöhnliches Neutrino mit Materie interagieren. Wenn die Hypothese durch Experimente bestätigt wird, wird klar, warum während der Bildung des Universums eine globale Asymmetrie auftrat und die Materie heute viel größer als Antimaterie ist.
Wissenschaftler verbinden sich mit der weiteren Untersuchung von Neutrinos, um Antworten auf die Möglichkeit der Bewegung mit superluminaler Geschwindigkeit, auf die Natur der "dunklen Materie" und auf die Bedingungen des frühen Universums zu erhalten. Aber vielleicht am wichtigsten ist, dass das kürzlich nachgewiesene Vorhandensein von Masse in Neutrinos das Standardmodell zerstört und in die Grundlagen der modernen Physik eingreift.
Außerhalb des Standardmodells
Die Untersuchung der kosmischen Strahlung und die Konstruktion leistungsfähiger Beschleuniger trugen zur Entdeckung von Dutzenden bisher unbekannter Teilchen bei, für die eine zusätzliche Klassifizierung eingeführt werden musste. Zum Beispiel werden heute alle subatomaren Teilchen, die nicht in ihre Bestandteile aufgeteilt werden können, als elementar bezeichnet, und nur diejenigen, von denen angenommen wird, dass sie keine innere Struktur haben (Elektronen, Neutrinos usw.), werden als fundamental bezeichnet.
In den frühen 1960er Jahren nahm das Standardmodell Gestalt an - eine Theorie, die alle bekannten Partikel- und Kraftwechselwirkungen mit Ausnahme der Schwerkraft berücksichtigt. Die aktuelle Version beschreibt 61 Elementarteilchen, darunter das legendäre Higgs-Boson. Der Erfolg des Standardmodells besteht darin, dass es die Eigenschaften von Partikeln vorhersagt, die noch nicht entdeckt wurden, wodurch es einfacher wird, sie zu finden. Und doch gibt es Gründe zu sprechen, wenn nicht über eine Überarbeitung, dann über eine Erweiterung des Modells. Genau das tun die Befürworter der Neuen Physik, um die akkumulierten theoretischen Probleme zu lösen.
Wenn Sie über das Standardmodell hinausgehen, werden Sie neue Elementarteilchen entdecken, die immer noch hypothetisch sind. Vielleicht entdecken Wissenschaftler Tachyonen (die sich mit superluminaler Geschwindigkeit bewegen), Gravitonen (die Gravitationswechselwirkung tragen) und Vimps (die "dunkle" Materie bilden). Aber es ist genauso wahrscheinlich, dass sie auf etwas noch Fantastischeres stoßen. Selbst dann gibt es jedoch keine Garantie dafür, dass wir den Mikrokosmos als Ganzes erkannt haben.
Anton Pervushin
