Jądro komórkowe: funkcje i budowa. Przyciąganie w jądrze Przestrzenna organizacja chromosomów wewnątrzfazowych w jądrze, euchromatyna, heterochromatyna
Róża Chatkelevich: Chcę przedstawić wam Igora Iwanowa - o tym rozmawialiśmy z Ilyą tak długo. I... kilka zasad. Igor od razu nam powiedział, kiedy zaczęliśmy organizować wykład, że nie chcę, żeby tylko ludzie siedzieli na sali, jak żołnierze, patrzyli na mnie, słuchali i… wychodzili. Chcę, żeby ludzie wchodzący do pokoju przerywali mi i zadawali pytania w miejscach, w których uznają to za stosowne.
Naprawdę podobał nam się ten pomysł, ale teraz, gdy widzimy, że tak wiele osób przyszło na salę, myślimy: „Jak możemy to zrobić?” Postanowiliśmy więc odpuścić. To znaczy Igor przemówi, nadal oczekujemy od Ciebie pytań, które przerwą mu przemówienie, ale jeśli okaże się, że jest tyle pytań, a Igor nie będzie mógł kontynuować swojego wystąpienia, to zastrzegamy sobie prawo do jakiegoś usprawnienia ten spontaniczny proces. To znaczy, powiemy: „Chłopaki, to wszystko. Wszystkie pytania. Niech Igor powie nam wszystko, czego chce, a po wykładzie odpowiedz proszę – nie wiem, jak długo możemy tu być? - do nocy odpowiem na Twoje pytania.
Czy sie zgadzasz? Bardzo chcielibyśmy, abyś był aktywny, bardzo chcemy, abyś był dzisiaj interesujący i jesteśmy prawie pewni - a nawet całkiem pewni - że tak będzie. Proszę, zacznijmy.
Igor Iwanow: Wielkie dzięki. Naprawdę bardzo się cieszę, że widzę was wszystkich w tej sali, prawie pełnej. (Czy mnie dobrze słyszysz? Dobrze. Tutaj. Czy widzisz obraz? Nie wyłączaj światła? Czy możesz je wyłączyć? Tak lepiej, prawda?)
Tak naprawdę oto co pokażę na slajdach – będzie bardzo mało, będzie takich, głównych stwierdzeń. Ale w zasadzie ten wykład jest taki, machanie rękami: uważaj na swoje ręce, pokażę ci wszystko na palcach. Tutaj.
Najpierw opowiem wam niejako idee, które istnieją we współczesnej fizyce, która bada to, co dzieje się w jądrach atomowych i jeszcze głębiej - w cząsteczkach, a potem, na samym końcu, pokażę kilka slajdów o eksperymencie, na który fizycy czekali od lat. Eksperyment ten zaczął się już składać w całość, kawałek po kawałku już 10 lat temu, aw przyszłym roku zostanie uruchomiony. Teraz przygotowywane są elementy największej na świecie placówki eksperymentalnej – Wielkiego Zderzacza Hadronów w Szwajcarii. A ten eksperyment, który rozpocznie się w przyszłym roku, odpowie na wiele pytań i w rzeczywistości popchnie fizykę do dalszego rozwoju. Dlatego pokażę kilka slajdów, technicznych, eksperymentalnych, a tutaj o tym eksperymencie. No to chodźmy.
Jak żyje proton?
Zebrałeś się tutaj, a skoro się zebrałeś, oznacza to, że interesujesz się fizyką. Prawdopodobnie przeczytałeś kilka książek lub artykułów popularnonaukowych i dlatego wiesz trochę o strukturze świata. Jeśli pierwsze dwie lub trzy minuty wydają ci się znajome, to w porządku, ponieważ zacznę od prostych rzeczy. Ale bądź ostrożny, bo dość szybko przejdę do rzeczy, o których nie mówi się w szkole. Ale są dość proste, dlatego też chcę o nich opowiedzieć. (Pytania, jeśli są, zadaj.)
Zacznijmy więc od najprostszych rzeczy, o których wie chyba każdy, no lub prawie każdy. To wszystko, co nas otacza - żyrandol, na przykład podłoga, powietrze - wszystko to składa się z cząsteczek. Cząsteczki składają się z atomów. Wiesz to wszystko bardzo dobrze, prawdopodobnie jest to nawet zdawane w gimnazjum lub podstawówce szkoły. Na świecie jest wiele cząsteczek. Nie wiem ilu chemików zsyntetyzowało substancje - myślę, że miliony. A każda substancja jest wyjątkowa, ponieważ ma swoją specjalną cząsteczkę. Te miliony różnych cząsteczek są w rzeczywistości zbudowane z atomów, których nie jest tak wiele. Ty też prawdopodobnie znasz układ okresowy: odkryto tam nieco ponad sto atomów, setki pierwiastków. W naturze znajduje się jeszcze mniej.
Tak więc z tej małej liczby atomów można połączyć, aby stworzyć wiele różnych cząsteczek. Atomy - cóż, dobrze o tym wiesz - nie są elementarne: składają się ze zwartego jądra, które jest tam, w środku, jest bardzo ciężkie, i spoczywających na nich powłok elektronowych. (Mówię ci teraz te proste rzeczy, aby wprowadzić słowa. Wtedy te słowa będą ważne.) I w końcu to jądro, które znajduje się wewnątrz każdego atomu, które jest bardzo małe w porównaniu do atomu, ale bardzo ciężkie, - nie jest też elementarny: składa się z protonów i neutronów. Ty też dobrze o tym wiesz.
Wszystko to robi się w szkole i wydawałoby się, że to wszystko są bardzo proste rzeczy, ale tak naprawdę na tę sytuację można spojrzeć pod nieco innym kątem, na co zwykle nie zwraca się uwagi. Ujmę to w ten sposób: we wszystkich tych sytuacjach, które tu mamy - molekuły, atomy i jądra - wszędzie działa zasada, którą nazwałem "zasadą łączenia".
Co to jest? Pozwól mi wyjaśnić. W rzeczywistości pomysł jest bardzo prosty, nawet na pierwszy rzut oka zbyt prosty. Mówi, że bardziej złożone i cięższe przedmioty można uzyskać z prostszych, po prostu dołączając dodatkowe elementy. Im cięższy przedmiot, tym więcej ma kawałków. A więc komplikacja obiektu nieuchronnie wiąże się ze wzrostem liczby sztuk. Działa to również w zwykłych cząsteczkach (możesz sobie wyobrazić, czym są cząsteczki - są bardzo małe, ale jeśli je połączysz, otrzymasz duże, a są zupełnie gigantyczne cząsteczki składające się z dużej liczby atomów). To samo działa w atomach i jądrach atomowych (są bardzo małe jądra; na przykład cząsteczka alfa to bardzo małe jądro, ale jeśli dodasz do niej dodatkowe protony i neutrony, w rezultacie otrzymasz ciężkie jądra).
Wydawałoby się, po co tyle o tym mówić? To wszystko jest podstawowe. Wydawałoby się, jak mogłoby być inaczej? To jest takie oczywiste. Kiedy więc zanurzymy się w głębiny protonu, będzie tam zupełnie inaczej. Tam to nie zadziała.
Ale to będzie za pięć minut, ale na razie zobaczmy, co w tej chwili ma fizyka.
Być może ty też znasz ten obrazek, przynajmniej w 11 klasie z fizyki go zdają. Współczesna fizyka „wspięła się” w głąb materii. Nie jest to takie proste, jak mogłoby się wydawać, bo drobne drobinki - nie można ich wyczuć palcami, a przy pomocy małych szczypiec też nie da się ich wziąć, ani nie widać przy pomocy światła . W rezultacie fizycy przez długi czas próbowali wymyślić, jak „zajrzeć” do wnętrza niektórych cząstek i odkryli, że najłatwiej jest po prostu docisnąć je do siebie.
Teraz te eksperymenty są przeprowadzane w różnych centrach świata - są to akceleratory, które przyspieszają cząstki i zderzają je ze sobą. Jeśli będą pytania, szczegóły podam później, a na koniec opowiem też trochę o tych eksperymentach. Na razie ważne jest, abyśmy wiedzieli, że te eksperymenty istnieją, że cząstki zderzają się ze sobą, a kiedy rozważasz wyniki zderzeń, po prostu rozumiesz, z czego one składają się.
Po przeanalizowaniu tego wszystkiego – a eksperymenty te rozpoczęły się około 40 lat temu – fizycy szybko doszli do wniosku, że proton też nie jest elementarny. Ma również strukturę, a ta struktura jest dość prosta: istnieją trzy małe, zwarte obiekty zwane kwarkami...
II: Poczekaj poczekaj...
II: To jest czyste. Czy mogę odpowiedzieć od razu?
II:Łatwo wierzę, że możesz to wyjaśnić. Faktem jest, że oczywiście na wszystkich tych slajdach będzie ogromna liczba uproszczeń, czyli w rzeczywistości z naukowego punktu widzenia jest wiele nieścisłości. Ale ponieważ ten wykład jest nienaukowy, po prostu pomijam te nieścisłości, nie omawiam ich.
II: Więc myślisz, że to wszystko jest nie tak?
II: Więc. Cóż, kontynuujmy, a potem możemy dyskutować ...
Właściwie chcę tylko powiedzieć tak: ten temat jest dość niebezpieczny, ponieważ jest wiele osób, które nie są dobrze zorientowane w tym temacie. Właściwie poważnie. Po prostu w nauce istnieje kilka subtelnych punktów, wokół których toczą się spory. Niemniej jednak istnieją dane eksperymentalne - jest ich dużo - które obecnie powszechnie formułuje się w takiej postaci: istnieją trzy zwarte obiekty (na wszelki wypadek - w spoczynkowym protonie), które są w przybliżeniu otoczone przez coś takiego... coś, co otacza je, co można warunkowo nazwać „chmurą gluonową”. Gluony to cząstki, które faktycznie prowadzą do przyciągania tych kwarków. I tutaj faktycznie dzieje się bardzo ciekawa rzecz – co więcej, śmiało nawet powiem: rzecz, której ludzkość nigdy wcześniej nie spotkała. Te siły gluonowe są bardzo niezwykłe.
To, co się dzieje, to coś takiego. Znowu z dużymi uproszczeniami, bardzo krótko, ale wygląda to mniej więcej tak. Siły przyciągające kwarki nagle przestają być tylko siłami - materializują się. To znaczy, relatywnie rzecz biorąc, wypadają one w postaci osadów, otaczają te kwarki i są obok nich. Czy możesz sobie wyobrazić? Oznacza to, że nie istnieją tylko niektóre cząstki połączone siłami, ale pola, które je łączą, nagle zaczynają żyć własnym życiem. Mają materialną esencję.
Na przykład ważą - mają masę. I przestają być tylko „sługami” tych kwarków, nie tylko je przyciągają – zaczynają przyciągać np. siebie. Oznacza to, że różne części chmury gluonowej, która jest tu narysowana schematycznie, również czują się nawzajem i nie pozwalają tej chmurze rozszerzać się, powstrzymują ją. To dzięki temu okazuje się, że nasz proton (w końcu to właściwie cały proton) jest dość zwarty.
Z tego powodu okazuje się, że kwark nie może odlecieć zbyt daleko. Więc wyobrażasz sobie, że to nie jest tylko chmura, a kwarki są chmurą generowaną przez kwarki. Oznacza to, że najpierw kwarki zaczynają się przyciągać, a potem ta siła, która je powstrzymuje, jakby wytrącała się, kondensowała. I wyobraź sobie, że jeśli teraz weźmiesz te kwarki i spróbujesz je rozdzielić – w rzeczywistości takie eksperymenty są przeprowadzane – mogę dosłownie powiedzieć wprost: biorą to i stukają w jakiś kwark jednym kliknięciem. To tylko prawdziwe eksperymenty - oczywiście nie używają palca jako kliknięcia, ale jakiegoś elektronu: przyspieszają elektron z wielką energią - bum! - bezpośrednio na kwarku. Kwark próbuje odlecieć tak bardzo, jak ma siłę, ale nie może odlecieć od chmury gluonowej: sam wytwarza tę chmurę. W rezultacie okazuje się, że chmura gluonowa próbuje się rozciągać, pęcznieje, pęcznieje, staje się cięższa, a w efekcie wszystko rozpada się na cząstki. Kwark po prostu nie może się z tego wydostać - to jeden z przejawów niezwykłości sił gluonowych.
W rzeczywistości będzie jeszcze ciekawiej. Dzięki temu okazuje się, że – pamiętacie zasadę łączenia, która doskonale sprawdziła się w jądrach atomowych? działał w atomach i cząsteczkach - cóż, w protonie w ogóle nie działa. Jak to wygląda? Wyobraźmy sobie na przykład analogię do jądra atomowego. Niech będzie proton, który składa się z kwarków. Dodajmy do tego jeszcze kilka kwarków - 9, 12, cokolwiek. Chcemy uzyskać jeden duży i gruby mega-proton. Możesz spróbować zrobić to eksperymentalnie - w rzeczywistości nie ma żadnych trudności. Przeprowadzono eksperymenty i co się dzieje? Okazuje się, że te dodatkowe kwarki nie chcą wchodzić do środka. Próbujemy je wepchnąć, ale nie chcą się wspinać - chcą się odizolować. Jest to złożone przejście, którego fizycy nie do końca rozumieją. W szczegółach jest to oczywiście jakoś obliczone, teoretycznie lub liczbowo, ale niestety nie ma jeszcze takiego ogólnego, zrozumiałego obrazu. Ale rezultat jest taki, że nie jest możliwe połączenie wielu kwarków razem.
Wydawałoby się, dobrze - nie, więc nie, spróbujmy zbadać, co jest. Zaczynamy badać cząstki i nagle widzimy, że w rzeczywistości istnieją ciężkie analogi protonu. Jest proton i są inne cząstki - wymieniłem tutaj kilka z nich, które są eksperymentalnie odkryte, eksperymentalnie zbadane - wszystkie są bardzo podobne do protonu. Jest ich około dziesięciu; może prawie dwa tuziny są teraz otwarte. I co najciekawsze mają dużą masę. Oznacza to, że istnieje kilka cząstek o różnych masach - stale rośnie, rośnie...
Naukowcy są zainteresowani - jak to? Z czego więc zrobione są te cząsteczki? Przeprowadzili eksperymenty i odkryli, że wszystkie składają się z tych samych trzech kwarków. I są trzy kwarki i są trzy kwarki. Wszystkie te kwarki są takie same. Właściwie nie powiedziałem - kwarki mają swoje nazwy, kilka różnych odmian, ale to wszystko jest zoologia - to klasyfikacja kwarków, która niewiele o nich mówi. To jest naprawdę interesujące – takie jest ich życie: jak są ze sobą połączeni, jak współdziałają – to właśnie mówię. Możesz gdzieś poczytać klasyfikację, to nie jest ważne.
Więc czym się okazuje? Okazuje się, że w tych cząstkach są też trzy kwarki, ale różnica polega na tym, że siedzieć inaczej. Znajdują się one w jakiejś trudnej formie względem siebie i poruszają się trochę inaczej. Jeśli się nad tym zastanowić, to też jest bardzo niezwykła rzecz, bo no popatrz, w zwyczajnej codzienności, jeśli weźmiesz i przestawisz części np. kostki Rubika, to nie dostaniesz z niej nic nowego - jakiś cięższy przedmiot. I tutaj okazuje się dokładnie tak: jeśli jakoś przestawisz kwarki, to w rezultacie chmura gluonowa pęcznieje, a ponieważ też waży, masa jest większa. Oznacza to, że zasada łączenia jest całkowicie naruszona, ale mimo to istnieją cięższe analogi protonów.
Nie wiem nawet, jaki przykład podać ze zwykłego życia, abyś poczuł, ile to jest ... ( Od publiczności: „Czajniczek z wodą”.) Hmm... No cóż, powiem wam, czym różni się chmura gluonowa na przykład od wody, a właściwie od wszystkiego innego. Widzisz, nie ma ustalonej liczby cząstek w tej chmurze gluonowej, nie ma prawa zachowania „materii chmury”. Jeśli weźmiesz i bezczelnie wyciągniesz kawałek tej chmury - to też można zrobić eksperymentalnie - to w ogóle tam nie zniknie. Jeśli weźmiesz i wyciągniesz połowę obłoku, znów tam będzie rosła, ponieważ kwarki nie mogą się bez niej obejść - kwarki rozprowadzają te siły w różnych kierunkach, a te siły się materializują. Bardzo ważne jest, aby czuć, że to nie jest jakaś chmura materii, ale samolecząca się struktura, która waży, działa na siebie.
Pytanie:A dzięki czemu zostaje przywrócony?
Można to opisać w ten sposób. Powiem ci to za dwie minuty. Są siły, które znasz - siły elektromagnetyczne. Są to siły przyciągania między ładunkami elektrycznymi. W pewnym sensie można je traktować jako wymianę cząstek - cząstki te nazywane są "fotonami". Co najważniejsze, fotony nie oddziałują ze sobą. Jeśli, powiedzmy, gdzieś jest trochę fotonów i doda się tam więcej fotonów, to w ogóle nie wpłynie to na te poprzednie fotony. Nazywa się to „zasadą superpozycji”, na przykład w elektrostatyce. Pola elektryczne i magnetyczne po prostu się sumują i to wszystko. Ale w przypadku pól gluonowych to nie działa. Jeśli zwiększysz koncentrację gluonów, mają tendencję do tworzenia jeszcze większej liczby gluonów. Każdy gluon może dać początek większej liczbie gluonów, mogą się rekombinować, zderzać. W efekcie, jeśli w chmurze będzie za mało gluonów (np. weź chmurę i usuń połowę chmury), to pozostałe gluony wyemitują nowe i osiedlą się wokół protonu, aby wszystko było stabilne, stacjonarny. Jest to właściwość, której ludzie wcześniej w ogóle nie znali.
Więc. Nie działa tu ani zasada łączenia, ani nawet normalny punkt widzenia na to, skąd pochodzi masa. Zwykle masa składa się z masy kilku cegieł. Jeśli mamy trzy cegły, to całkowita masa stosu trzech cegieł będzie równa trzykrotnej masie jednej cegły. W fizyce jądrowej, gdy protony i neutrony są połączone razem, masa jądra jest również w przybliżeniu proporcjonalna do liczby nukleonów, tylko energia wiązania jest niewielka. I wszystko wewnątrz protonów absolutnie inny.
W rzeczywistości fizycy obliczyli — porównali obliczenia teoretyczne z danymi eksperymentalnymi — i obliczyli masę tych małych, zwartych obiektów, które tam leżą. I okazało się, że ich masa to około 2% - tylko! - z masy całego protonu, możesz sobie wyobrazić? Wyobraź sobie: jest człowiek, jego masa wynosi 60 kg, a tylko 1 kg w nim to właściwie materia: wszelkiego rodzaju elektrony, kwarki - czyli to, co właściwie nazywamy materią. A pozostałe 59 to chmury gluonowe, które ładnie osadzają się w każdym protonie i neutronie i ważą, ważą, przyciągają do Ziemi i dają bezwładność ciału. Po prostu ciekawie to sobie wyobrazić.
O tych cząstkach chciałem również powiedzieć co następuje. Tutaj okazuje się, że różne ułożenie kwarków względem siebie wydaje się generować dodatkową masę, regeneruje cząstkę w nowy sposób. Z tego, co przychodzi mi na myśl, sugeruję, żebyś pomyślał o nich jak o robotach transformatorowych - wiesz, takie są w kreskówkach. Więc przestawili się, jakoś przekręcili i wyszło coś zupełnie nowego, a wydaje się, że wyszło jeszcze bardziej. Tutaj dzieje się coś podobnego, tyle że to nie jest jakiś fikcyjny robot-transformator, ale to, co tak naprawdę istnieje w naszym świecie, w każdym z nas. Wszystko to urzeczywistnia się w każdej cząsteczce, atomie. Okazuje się – i to jest ważne stwierdzenie – że praktycznie cała masa – przynajmniej ponad 90 proc. – w każdym protonie, a właściwie w ciele, składa się z chmury gluonowej. Chmura gluonowa daje bezwładność.
Sami fizycy byli tym wszystkim trochę zaskoczeni, zdziwieni, kiedy to odkryli. Muszę powiedzieć, że nie było tak nagle otwarte - stopniowo się rozjaśniało, były różne eksperymenty, obliczenia numeryczne, były jakieś proste modele. Początkowo trochę się ze sobą nie zgadzali, potem stopniowo zaczęli budować między sobą mosty, a wszystko to stopniowo doszło do porozumienia. A fizycy pomyśleli: skoro taki obraz, to może powinien zostać zweryfikowany eksperymentalnie? To jest chmura gluonowa, bo kwarki - cóż, to zrozumiałe, jakiś rodzaj cząstek. Ale chmura gluonowa to coś nowego. I tak pomyśleli: jak badać te właściwości chmury gluonowej?
Generalnie, jak powiedziałem, bada się je w ten sposób: biorą i zderzają cząstki, podczas gdy się rozlatują, może narodzić się coś nowego, są detektory, które wszystko wychwytują, przywracają. Tak więc ta metoda działa świetnie, jeśli chcesz wiedzieć, na przykład, jaki rodzaj energii znajduje się w tych kwarkach. Jest w kwarkach, ponieważ przenoszą one większość energii. Ale niestety nie pomaga to w poznaniu struktury chmury. W końcu to nie jest tylko jakiś rodzaj gęstości gluonowej - to nowa struktura, która wydaje się skondensować i powstała. Powtarzam raz jeszcze – to bardzo ciekawy obiekt. Tę chmurę trzeba zbadać w inny sposób.
I tak fizycy wymyślili sposób: trzeba też zderzać cząstki, również z dużą prędkością, z dużą energią, ale trzeba zwracać uwagę nie na zderzenia czołowe, kiedy wszystko się rodzi, ale na zderzenia, kiedy lekko się dotykają - więc tutaj przelatują, przelatują i uderzają się lekko. Wtedy te kwarki, które tu przelatują, nie odczuwają tej kolizji - wystarczy pomyśleć, przeleciały i przeleciały obok. Ale oto chmury, które lekko się stykają - w tym momencie dzieje się z nimi coś podstępnego. Można je sobie wyobrazić jako bryłę piany. Tu lecą dwa kawałki piany iw chwili, gdy się zetkną, kawałek piany prześlizguje się między nimi.
Jest taki obiekt, który skacze tutaj - nazywa się "pomeron". To bardzo podchwytliwy obiekt i w rzeczywistości fizycy go teraz badają. To znaczy, dosłownie, jeśli teraz pójdziesz na konferencję, prawdopodobnie połowa raportów będzie dotyczyła eksperymentalnych lub teoretycznych badań pomeronu. Chcę jeszcze raz podkreślić, że ten obiekt to nie tylko jakaś cząstka pobrana i wymieniona, jak np. foton. To bardzo trudny obiekt: wyłania się dynamicznie i nie wygląda jak zwykła cząstka.
Jakieś dziesięć lat temu - teraz się uspokoili - ludzie na konferencjach dosłownie przeklinali się nawzajem, bo wszyscy mieli różne modele pomeronów. Istnieją modele proste, są modele złożone iz jakiegoś powodu nie zbiegały się ze sobą. Właściwie niektóre modele wciąż były dość niezgrabne. Ale mimo to. To był taki okres, kiedy ludzie w ogóle nie wiedzieli, czym jest pomeron. I próbowali różnych sposobów, aby to rozgryźć. Nie doszło do fizycznej napaści, ale przynajmniej ludzie się ze sobą kłócili. Teraz też przysięgają, ale z innych powodów - już nie przeklinają na Pomeron, prawdopodobnie dlatego, że zdali sobie sprawę, że jest już bezużyteczny. Są eksperymenty, zwłaszcza w ciągu ostatnich 10 lat. Tutaj w Hamburgu przeprowadzono eksperyment, który bardzo dobrze zbadał właściwości pomeronu i teraz przynajmniej trochę o tym jest jasne.
Tak więc pomeron jest obiektem, który pojawia się, gdy próbujemy wyciągnąć kawałek obłoku gluonowego z protonu. Ten przedmiot musi gdzieś iść. Na przykład może skakać z jednej cząstki na drugą. W procesie skakania istnieje samodzielnie. Widzisz: nie jest tam powiązany z żadnymi kwarkami, ale wydaje się być zlokalizowany w przestrzeni, jakby żył samodzielnie. A są nawet sugestie, że może mieszkać osobno. Jeśli trafisz w proton, to w określonych warunkach pomeron może uciec, odlecieć i żyć tam sam przez jakiś czas, bez kwarków. Właściwie to całkiem ciekawie to sobie wyobrazić.
Czyli to, co kiedyś było tylko siłą, teraz zmaterializowało się, a nawet oderwało od swoich macierzystych kwarków i usiadło w przestrzeni. Ludzie długo szukali takich przedmiotów, ale niestety ich nie znaleźli. Nazywa się je „kulkami klejowymi” - od słów „klej” i „kulka”, czyli „kawałek kleju”. „Gluony” pochodzi od słowa „klej”, które wydaje się sklejać te kwarki. Oznacza to, że w zasadzie istnienie tego kawałka pola gluonowego oddzielnie jest możliwe, ale niestety nie zostało jeszcze odkryte doświadczalnie. Może tego nie ma, a może jest - nie jest jasne, trzeba to zbadać.
Cóż, fizycy oczywiście wymyślili to wszystko - zwłaszcza teoretycy - i mówią: fajnie, teraz możesz w ten sposób badać pomeron. Ale dla eksperymentatorów w rzeczywistości jest to bardzo trudne. Bo kiedy dwa protony przelatują, lekko uderzając w siebie, to nie dochodzi do silnego zderzenia między nimi. Proton jest nieco odchylony – mniej niż jeden stopień.
Pytanie:Kiedy przechodzą dwa protony, kwarki - też mają masę, prawda? Czy będą ze sobą współdziałać?
Tak, powtórzę to jeszcze raz. Kiedy uderzasz w siebie protonami, tak naprawdę nie masz nawet kontroli nad tym, jak się zderzają – jak się zderzają, to jak się zderzają. Oznacza to, że możesz z tym zrobić wszystko. Może dojść do silnego zderzenia czołowego, w którym jeden kwark zderza się z drugim; rozpraszają się i okazuje się, że jest to coś niewyobrażalnego. Zdarzają się zderzenia, gdy dwa kwarki z jednego protonu i dwa kwarki z innego protonu zderzają się niezależnie — to również może się zdarzyć. I zwykle tak się dzieje - nazywa się to "twardymi zderzeniami", kiedy rodzi się mnóstwo wszystkiego z dużą ilością energii. Ale w tych kolizjach nie da się zbadać pomeronu – tego kawałka chmury trudno zbadać. Dlatego fizycy robią to: łączą wszystko razem. Tutaj, w tym zderzaczu, protony będą się zderzać 40 milionów razy na sekundę przez kilka lat. Zbiorą wszystkie te kolizje, a następnie będą szukać takich, które są np. tego lub innego typu.
Oznacza to, że w rzeczywistości kwarki oddziałują - wszystko oddziałuje. Okazuje się, że w tym samym czasie jest bardzo zróżnicowana, ale kiedy fizycy próbują to rozgryźć, wyciągają dokładnie to, czego potrzebują.
Pytanie:Jak udało im się zobaczyć te wszystkie kwarki, chmury gluonowe i tak dalej? Czy zostało to udowodnione eksperymentalnie?
TAk. Oto taki eksperyment Rutherforda z 1905 roku. Wtedy odkryto atomy, ale nie znali jeszcze ich budowy - po prostu wiedzieli, że są tam w jakiejś formie elektrony. Więc zrobił ten eksperyment.
Wziął kilka cząstek - cząstek alfa - i przepuścił je przez atom. Miał taką cienką złotą folię, strzelił drobinki wprost w tę folię i patrzył pod jakim kątem się odchylają. Tak więc wierzymy w fizykę klasyczną, ale była też fizyka klasyczna; ta klasyczna fizyka przewiduje prawo, zgodnie z którym cząstki będą odchylane przez przyciąganie elektryczne lub odpychanie, gdy przelatują obok siebie. Prawo to jasno przewiduje, jaki będzie wzór rozpraszania (nazywa się to rozpraszaniem - kiedy cząstki odchylają się w różnych kierunkach) w zależności od konkretnego modelu atomu, w zależności od konkretnego urządzenia. Na przykład, jeśli atom jest "luźny", to będą latać głównie do przodu i odchylić się o mały kąt. Jeśli atom, jak się okazało, ma w centrum bardzo małe i zwarte jądro, to obraz będzie zupełnie inny. Czyli to, co widzą eksperymentatorzy - widzą pod jakim kątem cząstki rozpraszają się, a następnie, korzystając z praw klasycznej elektrodynamiki, przywracają strukturę tego atomu.
Z punktu widzenia eksperymentu proton jest prawie taki sam. Jedyną rzeczą jest to, że tam formuły są oczywiście bardziej skomplikowane. Ale konkretnie, kwarki najlepiej widać w ten sposób: jeśli połączysz dwa protony, wtedy, w zależności od energii, otrzymasz różne obrazy. Jeśli energia protonów jest mała, protony po prostu rozpraszają się i to wszystko. Jeśli energia jest tylko trochę większa - powiedzmy, jeśli prędkość jest zbliżona do prędkości światła, ale nie bardzo bliska - to rezultat jest taki, że możesz stworzyć kilka cząstek. Wszystko to zostało zbadane, ale trudno w ten sposób określić strukturę protonu. Możesz zdefiniować jego właściwości i sposób ich wzajemnego oddziaływania. Aby zobaczyć małą strukturę, konieczne jest coraz większe rozproszenie cząstek, po prostu dlatego, że jak w mikroskopie, coraz mniejsze odległości stają się widoczne.
Kiedy zderzasz ze sobą cząstki - no cóż, protony - o energii 50-100 razy większej niż ich energia spoczynkowa, okazuje się, że te kwarki mogą się zderzać i ostro rozpraszać. Kiedy się rozproszą, rezultatem jest odrzutowiec. Ten dżet to strumień cząstek, który idzie mniej więcej w kierunku pierwotnych kwarków. Czyli kwarki latają, pukają, rozpraszają iw rezultacie w eksperymencie widzimy przepływ cząstek w tym kierunku, przepływ cząstek w tym kierunku. Nic innego jak założenie, że istnieje zwarty mały przedmiot, który podszedł bardzo blisko i bardzo mocno popchnął, nie możemy tego opisać. To znaczy, może niektórzy ludzie mogą całkowicie przepisać całą fizykę, ale niestety nie ma jeszcze takiej innej teorii.
Istnieje jednak wiele innych sposobów określenia obecności kwarków w protonie. Na przykład, jeśli proton jest nieruchomy, to ma właściwości statyczne, to znaczy właściwości nieruchomego protonu - cóż, masa, to zrozumiałe; może mieć spin, spin jest rzeczą kwantową; ma moment magnetyczny. Posiada kilka cech, które można doświadczalnie zmierzyć z dużą dokładnością, nie tylko w protonie, ale także w innych cząstkach tego typu. Okazuje się, że jeśli zastosujemy ten prosty model kwarków do nieruchomego protonu, to wydaje się on bardzo podobny do tego, co faktycznie obserwujemy.
Cóż, są też eksperymenty typu trzeciego i czwartego, i tak dalej...
W rzeczywistości te kwarki - tutaj oczywiście wszystko jest subtelne, ponieważ kwarki znajdujące się w nieruchomym protonie są jednymi kwarkami, a kwarki znajdujące się w szybko poruszającym się protonie to już zupełnie inne obiekty. To wszystko jest bardzo trudne, ale nie zwracasz na to uwagi. Po prostu uwierz, że w rzeczywistości z różnych eksperymentów powstaje taki obraz, że istnieją zwarte cząstki połączone różnymi siłami. A to wszystko jest zanurzone w chmurze gluonowej. Jakiś inny obraz, który równie dobrze opisuje dane eksperymentalne, których niestety nie jest zbyt wiele. Niestety - bo byłoby ciekawie, gdyby wyszedł zupełnie inny obraz, który równie dobrze opisywałby ten przypadek.
Pytanie:Proton jest widoczny z daleka jako moment magnetyczny i ładunek elektryczny. Jeśli podejdziesz bardzo blisko, to może te kwarki, które ją tworzą, również mają swoje momenty magnetyczne? Z daleka ta struktura wygląda jak bakłażan, a jeśli przyjrzysz się bliżej, wydaje się, że są pokryte igłami, jak kaktus.
W rzeczywistości jest to przeformułowanie tego, co powiedziałem. Jest proton, który zwykliśmy postrzegać jako proton, rodzaj cząstki w jądrze, a potem, kiedy przeprowadzono eksperymenty i zajrzeliśmy do środka, zobaczyliśmy jakąś drobną strukturę. Następne pytanie brzmi, czy kwark ma drobną strukturę? Eksperymenty przy najwyższych dotychczas energiach mówią, że ta struktura jest niewidoczna. Może tam jest, ale nie jest jeszcze widoczny. Cóż, teoretycy są oczywiście znacznie bardziej pomysłowi, wymyślili już kilka modeli.
Ostatnio widziałem jeden artykuł - będzie taka cząstka, bozon Higgsa, ciekawa cząstka, wszyscy o tym mówią - a więc normalny artykuł naukowy, ale nie jest całkiem zwyczajny: nie ma nic własnego. Jest to artykuł, który po prostu wymienia 200 odniesień do różnych grup badawczych, które przewidziały taką masę, taką masę, taką ... W rezultacie bez względu na to, które z nich zostanie odkryte, coś już będzie. Oznacza to, że teoretycy wymyślą setki modeli o różnym stopniu poprawności. Ostateczna odpowiedź leży oczywiście w eksperymencie.
Zjawiska samopowstające
„Zjawiska samopowstające to zjawiska, które nie zostały pierwotnie ustanowione, ale powstały same z siebie. Znajduje się wszędzie w fizyce. Strasznie ciekawe zjawisko!
Skończyłem tę część, ale teraz chcę zrobić małą pauzę, taką małą dygresję. Wydaje mi się, że warto teraz o tym fenomenie powstawania masy jak gdyby z niczego mówić w szerokim kontekście. Bo to całkiem prosta sprawa, ale bardzo ważna w fizyce. Moim zdaniem jest to jedno z głównych odkryć w fizyce teoretycznej. Odkrycie polega na tym, że istnieją zjawiska, które mogą wystąpić na własną rękę, nie trzeba ich wstępnie układać w jakichś detalach, cegłach i wzorach. Powstaną same z siebie dokładnie w takiej postaci, w jakiej widzimy je w naturze. To najbardziej niesamowita rzecz. To, o czym mówiłem wcześniej, to właściwie masa (no, na przykład protonu), która wzrosła do 90% spontanicznie, samodzielnie. Ten rodzaj samopowstającego zjawiska występuje wszędzie w fizyce.
Weźmy przykład z zupełnie innej dziedziny. Jest coś takiego jak nadprzewodnictwo. Może nawet wiesz. Nadprzewodnictwo ma miejsce wtedy, gdy ciało całkowicie traci opór elektryczny, prąd może przez nie przepływać bez żadnego oporu. Jeśli nadprzewodnik zamknie się w kole i przepłynie przez niego prąd, bez napięcia, to będzie się kręcił godzinami, dniami, latami - takie eksperymenty były robione. Nie blaknie, kręci się, wiruje... To się nazywa nadprzewodnictwo. Zjawisko to jest oczywiście niezwykłe i fizycy próbowali dowiedzieć się, jak ono powstaje.
Jeśli zupełnie naiwne jest podejście do rozumienia natury, to możemy powiedzieć: skoro to zjawisko istnieje w takiej substancji, podzielmy ją na atomy i zagłębimy się w każdy atom lub każdą cząsteczkę, spróbujmy znaleźć pochodzenie - coś, co mu daje nadprzewodnictwo. Oczywiście możesz to zrobić: pociąć na atomy, sproszkować, zbadać poszczególne atomy - teoretycznie, eksperymentalnie, cokolwiek. I nic tam nie zobaczysz! Nie będzie najmniejszego śladu nadprzewodnictwa, bo nadprzewodnictwo nic nie wie – prawie nic – o atomach, a atomy nic – prawie nic – o nadprzewodnictwie.
Jeśli weźmiemy jeden atom, to nie będzie w nim nadprzewodnictwa, po prostu będzie atom i to wszystko. Jeśli dwa, trzy atomy - to samo. Cóż, okaże się, że to jakaś mała cząsteczka. Jeśli weźmiesz dużo atomów, nagle powstaje. Cóż, oczywiście nie nagle, nie nagle – przechodzi gładko, jest jak kwiat wyrastający z pąka, gdy weźmie się wiele, wiele atomów. Ale takie zjawiska powstają same, po prostu z powodu interakcji cząstek. Nie trzeba było ich budować w pierwszej kolejności.
Opowiem ci historię. Kiedy byłem dzieckiem – nie miałem wtedy gier komputerowych – uwielbiałem fantazjować. Wymyśliłem dla siebie wszelkiego rodzaju wirtualne światy, a ponieważ nie było komputerów, narysowałem je. Wymyślił planetę i zdecydował: niech będą na niej zwierzęta, narysował zoologię tej planety. Potem pomyślałem dalej: niech ma swoją chemię. To oczywiście nonsens, ponieważ rozumiemy, że chemia jest taka sama w całym Wszechświecie, a pierwiastki chemiczne są wszędzie takie same. Ale chciałem wymyślić i narysowałem układ okresowy pierwiastków nazwany na cześć Iwanowa i po prostu wypełniłem go nowymi pierwiastkami. Spojrzałem na otaczający mnie świat i pomyślałem: co bym wymyślił? Uznałem, że np. elementy takiej a takiej serii będą magnetyczne. To znaczy, zdecydowałem, że wewnątrz atomu będzie taki mały magnes, specjalny, który prowadzi do magnetyzmu, jeśli z tego pierwiastka powstaje substancja.
Jest to też bardzo naiwny pogląd na rzeczy, ponieważ skupia się na tym, że jeśli istnieje magnetyzm (dokładniej w fizyce nazywa się to „ferromagnetyzmem” – że magnes przyciąga metalowe przedmioty), to musi pozostać, nawet jeśli my pokrój go na kawałki, pojedyncze atomy. To znaczy, jeśli dosłownie weźmiemy pojedyncze atomy, to żelazo, które, jak wiemy, jest ferromagnetyczne, musi być jakoś tak różne od wszystkich, skoro ma tak silny magnetyzm.
W rzeczywistości magnetyzm - ferromagnetyzm - był od dawna badany i okazuje się, że ferromagnetyzm w żelazie powstaje właśnie z powodu interakcji. Nie ma nic tak szczególnego, specyficznego w atomach żelaza - właśnie w atomach - nie ma nic. Wszystko to powstaje po umieszczeniu dużej ilości tych atomów i rozważeniu, w jaki sposób oddziałują one ze sobą - i tu okazuje się, że sztuczka - i pobraniu dużej objętości, a następnie stopniowo pojawi się różnica między żelazem a innymi pierwiastkami. Oczywiście istnieją inne substancje, które magnetyzują, ale najbardziej znane jest żelazo.
Chcę też powiedzieć, że ta rzecz pojawia się nie tylko w fizyce, jej różnych dziedzinach. W matematyce są zjawiska samopowstające, w ekonomii zjawiska samopowstające, nawet w biologii. W razie potrzeby wiele można interpretować jako samopowstające zjawisko – zjawisko, które powstaje w wyniku interakcji.
Właściwie to strasznie ciekawe, bo jak właściwie z tym pracuje fizyk teoretyczny? Gdy chce zbadać jakiś obiekt, to coś o nim wie - na przykład badając materię, wie, że materia składa się z atomów. Pisze równania: są atomy i siły oddziaływania między nimi - to są niejako dane wyjściowe. To bardzo proste i nic w nich nie widać. Ale potem próbuje rozwiązać te równania. Podobnie jak w szkole, tylko te równania są bardzo trudne do rozwiązania, ponieważ są ze sobą bardzo pomieszane. Jednak wciąż próbujemy to rozgryźć. A kiedy zaczynamy je rozwiązywać, pojawiają się pewne formuły i tam nagle wszystko się pojawia. I to jest bardzo urzekający widok, ponieważ początkowo niczego nie określiłeś, ale jakieś zjawisko, które widzisz w naszym świecie, nagle rodzi się z samych formuł. To bardzo imponujące, gdy patrzy się na to naprawdę.
Pole Higgsa
„Kolejne źródło masy: cały wszechświat wypełniony jest niewidzialnym polem Higgsa. Cząsteczki „przywierają” do niego i stają się masywne. W zderzaczu LHC będą dokładnie badać, jak powstaje to pole.
Źródło masy, o którym mówiłem - masa protonu - jest właściwie tylko jednym z możliwych. W rzeczywistości w naturze działają co najmniej dwie – może więcej, nie wiemy. Drugie źródło masy nadaje masę lekkim cząstkom, takim jak elektrony, kwarki itp. I to jest zupełnie inny mechanizm, a opisująca go teoria też jest zupełnie inna. Ta teoria nie została jeszcze w pełni przetestowana, ale wiele jej przewidywań już się spełniło i będzie ona bardzo aktywnie badana w tym wielkim, ogromnym zderzaczu, w tym wielkim eksperymencie.
Krótko mówiąc, taka jest teoria. W rzeczywistości istnieje wiele szczegółów, twierdzeń ściśle matematycznych, ale główne stwierdzenie jest takie. Początkowo wszystkie cząstki - kwarki, elektrony itd. - były całkowicie bezmasowe. Oznacza to, że np. leci rój elektronów, działała na niego niewielka siła i odleciał gdzieś w bok. Oznacza to, że są to cząstki, które praktycznie nie mają bezwładności, łatwo odlatują gdzieś na boki pod wpływem małych sił. Wtedy, za sprawą jakiegoś mechanizmu, pewnych osobliwości - wszystko to też jest badane - jakieś niewidzialne pole Higgsa wypełnia cały Wszechświat. „Higgs” – od nazwiska angielskiego naukowca Petera Higgsa, który wynalazł tę rzecz, angielskiego naukowca, nazywa się to po nim.
To pole równomiernie wypełnia cały Wszechświat, nie jest widoczne, ponieważ przechodzą przez nie wszystkie cząstki. Ale kiedy przez nią przechodzą, są trochę za nią. przylgnąć. Trudno to sobie wyobrazić, ale uwierz mi, w pewnym sensie się do niego czepiają. Oznacza to, że pole zapobiega zbyt szybkiemu przyspieszaniu cząstek. Cząsteczki przelatywały, działała na nie jakaś siła, próbowały odlecieć, ale pole im przeszkadzało. W efekcie oczywiście odlatują, ale jakoś niechętnie, jakby mieli dodatkową bezwładność, jakby po prostu nie chcieli się ruszać. W efekcie w formułach wygląda na to, że mają masę. To zupełnie inny rodzaj masowego wyglądu. Tutaj nie ma energii początkowej, która niejako się kondensuje. Jest po prostu ruch przez jakieś medium, którego nie widzimy, ale to medium ma pewien efekt, mianowicie nadaje masę tym cząsteczkom.
Jest wiele szczegółów w tym mechanizmie, nie powiem im, ale chcę, żebyście poczuli ten mechanizm. Aby to zrobić, powiem ci analogię, którą możesz nawet zrobić w domu, po prostu prawdziwy eksperyment. Weź kawałek styropianu i zmiażdż go. Kiedy kruszy się na małe kawałki, otrzymuje się małe kulki piankowe. Jest bardzo lekki. Możesz je pokruszyć na stole i dmuchać na nie - rozproszą się. Jest to analogia do cząstek bezmasowych - to znaczy cząstek, które mają bardzo małą bezwładność.
Teraz ostrożnie wlej wodę na stół i pokrusz piankę na wierzchu. Poczekaj, aż trochę zmoczy się i ponownie w nią dmuchnij. Zobaczysz, że kulki odpływają, ale jakoś niechętnie. Gdybyśmy nie widzieli tej wody, wydawałoby nam się, że mieli jakąś dziwną bezwładność, której wcześniej nie było. Ta bezwładność wynika z faktu, że poruszając się muszą przedzierać się przez medium. W tym przypadku - przez wodę, ale w rzeczywistości - przez pole Higgsa.
Pytanie:Skąd w ogóle pochodzi pole Higgsa?
To naprawdę trudna sprawa, skąd się to bierze. Kiedy konstruujesz modele mikrokosmosu, wprowadzasz rzeczy, które wciąż są niejasne - czy pochodzą skądś, czy nie. Wtedy może stać się jasne. Powiedzmy, może się okazać, że rzeczywiście jest to nieuchronnie zaczerpnięte z jakiejś głębszej teorii. Były kiedyś w historii fizyki przykłady, kiedy coś postulowano, a potem wywnioskowano z głębszej teorii. Co stanie się z polem Higgsa, nie jest jeszcze jasne. Podkreślam, że nie zostało to jeszcze udowodnione. Oznacza to, że ta teoria, która jest już uważana za ogólnie akceptowaną, wydaje się działać poprzez pośrednie przejawy, ale aby ją ostatecznie udowodnić, konieczne jest przeprowadzenie eksperymentu w Wielkim Zderzaczu Hadronów i znalezienie tej cząstki - bozonu Higgsa, cząstka, za którą ludzie chcą otrzymać nagrodę Nobla (i najprawdopodobniej otrzymają).
Pytanie:Okazuje się, że podczas przechodzenia przez pole Higgsa cząstki nie tracą energii?
Ważne jest, aby zrozumieć różnicę między polem Higgsa a moją analogią do wody: pole Higgsa przeszkadza przyśpieszyć a woda utrudnia poruszanie się. Możesz bezpiecznie przelecieć przez pole Higgsa ze stałą prędkością i nie będzie to przeszkadzać; powstrzymuje cię przed przyspieszaniem. Rzeczywiście, są takie przykłady ze zwykłego życia, kiedy pojawia się jakaś siła, która uniemożliwia przyspieszenie.
Różne cząstki przyczepiają się do tego pola Higgsa na różne sposoby: niektóre silniejsze, inne słabsze. Niektóre cząsteczki w ogóle się nie przyklejają. Na przykład fale elektromagnetyczne i światło nie przylegają, więc uzyskuje się je bez masy. Te cząstki, które przylegają bardzo mocno, stają się bardzo masywne.
Pytanie:Chciałbym wyjaśnić: czy pole Higgsa jest jedyną rzeczą, która nadaje cząstkom masywność i bezwładność, czy są ku temu inne powody?
Powiedziałem już, że jest to drugi mechanizm i był też pierwszy, zgodnie z którym protony stały się masywne. Fakt, że protony stały się masywne, nie ma nic wspólnego z polem Higgsa. Można sobie wyobrazić świat, w którym w ogóle nie byłoby pola Higgsa. Wtedy elektrony byłyby bezmasowe, kwarki byłyby bezmasowe, a protony byłyby tak masywne, jak ważą w naszym świecie, ponieważ jest to zupełnie inny mechanizm.
Pierwszy mechanizm opisuje kondensacja chmury gluonowej. Matematycznie dość skomplikowane, ale sedno jest mniej więcej takie. Opisuje się ją tutaj jako rodzaj pola, przez które trzeba się przebrnąć. Są też inne mechanizmy – najprawdopodobniej są, ale nie będę o nich mówił.
Pytanie:Okazuje się, że istnieją dwa mechanizmy powstawania masy. Czy pole Higgsa wpływa na chmurę gluonową?
Pole Higgsa nie działa bezpośrednio na gluony. Ale trzeba to powiedzieć ostrożnie, ponieważ nie działa na gluony jak cząstki, ale działa na kondensat. To nie jest proste. Jest wiele subtelności, ale w uproszczeniu nie działa bezpośrednio na pole gluonowe. A jednak dzięki wirtualnym poprawkom jest z tym związany.
Pytanie:Myślę, że można wyjaśnić prędkość światła w postaci pola Higgsa. Skoro pole Higgsa dostarcza masę do ciała, to okazuje się, że jego energia podzielona przez prędkość światła to masa? Musi być jakiś wpływ pola Higgsa na światło, inaczej nie miałoby ono energii.
Te rzeczy nie są ze sobą powiązane. Jest taki termin z historii fizyki - eter. „Eter niosący światło”. Jest to rodzaj postulowanego medium, którego drgania są falami elektromagnetycznymi. Tak myślano ponad sto lat temu. W rzeczywistości uważa się teraz, że ten eter jest całkowicie opcjonalny, bez niego współczesna teoria zjawisk elektromagnetycznych.
Pole Higgsa może wydawać się trochę jak eter, ponieważ przenika ono również cały wszechświat. W rzeczywistości nie ma właściwości potrzebnych eterowi. Na przykład w ogóle nie wpływa na fotony. Fotony po prostu trwają i trwają, ich to nie obchodzi. I można to łatwo zrozumieć, cóż, nie zrozumieć - to tylko eksperymentalny fakt. Fakt, że widzimy bardzo odległe kwazary, z których światło dociera do nas od 10 miliardów lat, oznacza, że w tym czasie nic się nie stało z fotonami. W przeciwnym razie zostałyby one jakoś rozprowadzone, rozmazane i widzimy wyraźny obraz tych kwazarów. I przez cały ten czas światło faktycznie podróżuje przez pole Higgsa. Cóż, jeśli oczywiście ta teoria jest poprawna - i jest poprawna w 99%.
To znaczy w rzeczywistości są to dwa różne zjawiska – fale elektromagnetyczne i pole Higgsa – które nie są ze sobą powiązane.
Urządzenie zderzacza LHC
Teraz kilka zdjęć.
Zderzacz jest akceleratorem zderzających się cząstek. Tam cząstki przyspieszają wzdłuż dwóch pierścieni i zderzają się ze sobą. Jest to największy obiekt doświadczalny na świecie, bo długość tego pierścienia – tunelu – wynosi 27 km. Oznacza to, że nadal musi zmieścić się w górach. Leży na pograniczu Szwajcarii i Francji, tam zaczynają się Alpy, widać z tego miejsca Mont Blanc, az drugiej strony są też inne góry, więc trzeba jeszcze dokładnie wpasować się w te warstwy tektoniczne, żeby wszystko było w porządku . Właściwie to zdjęcie nie jest w skali, bo średnica to prawie 9 km, a głębokość tam 100 m. Niemniej jednak daje to z grubsza obraz całości.
Jest pierścień, wzdłuż którego lecą cząsteczki. Są przyspieszone, przyspieszone - są specjalne sekcje przyspieszające. Są rozproszeni do strasznych energii, a następnie popychani. Popychają je w określonych miejscach, wokół których znajdują się czułe czujniki. To bardzo duże czujniki, nazywają się „detektorami”, pokażę je później.
LHC przyspieszy te protony do niesamowitych energii. Wyobraź sobie: cząstki przelatują przez rurę próżniową, która ma dosłownie kilka centymetrów średnicy i rozciąga się na 27 km w różnych kierunkach, wzdłuż obwodu. Lecące tam cząsteczki - korygowane przez pola magnetyczne i elektryczne - są oddzielnymi skrzepami, jak igły. Są bardzo cienkie, grubsze niż ludzki włos i mają długość kilku centymetrów lub kilkudziesięciu centymetrów. Lecą z tak straszliwą prędkością, że energia jest świetna. Jeśli weźmiemy całą energię tych cząstek, będzie to w przybliżeniu energia odrzutowca w ruchu. Wydawałoby się, że jakaś drobnostka: jeśli wszystkie te cząstki i protony zostaną zebrane i umieszczone, to nic nie zobaczysz, ponieważ jest ich bardzo mało, będzie jeden nanogram. Ale gdy rozpędzą się do takich energii, jeśli gdzieś trafią, to nie tylko wszystko zniszczą - przelecą wiele kilometrów.
Tak wygląda tunel w środku. W środku jest jakaś osoba - robotnik albo fizyk, nie wiem. Tunel oczywiście nie jest zbyt przestronny. Jest tu rura próżniowa, która jest wyposażona w mnóstwo sprzętu, bo najpierw wiązka musi być monitorowana, trzeba nią sterować. Wtedy wszystko to dzieje się w bardzo niskich temperaturach: są tylko 2 stopnie Kelvina, ponieważ hel musi być w stanie nadciekłym. Rezultatem jest taka gruba bandura, w którą wszystko jest wypchane. A to wszystko ciągnie się na 27 km. To nie jest zwykły kawałek żelaza - to dość dokładna technika. Powiedzmy, że gdy te sekcje są porównywane ze sobą, są one wyrównane na wysokość z dokładnością do mikrona. Nie jest łatwo wziąć i przymocować kawałek rury do innego kawałka. Ta instalacja jest bardzo długa, więc jak widać, ludzie nie poruszają się na piechotę. Wyobraź sobie, że aby dostać się na drugi koniec twojej eksperymentalnej placówki, musisz zrobić dość dużą przejażdżkę rowerem. Czasami jeżdżą małymi samochodami, zwłaszcza gdy przywożą jakieś części.
Oto przykład tego, jak wygląda sekcja. To tylko jedna z sekcji, która ma swoją specyficzną funkcję. Tutaj nie można nawet od razu powiedzieć, skąd rura leci, z której leci wiązka. W rzeczywistości są tu takie żółtawe belki (oczywiście wszystko jest nierealne), przelatują przez te rury. Ale wtedy te rury są już wyposażone w magnesy, sekcje izolacyjne i tak dalej. Wszystko jest więc skomplikowane i bardzo drogie.
Oto typowy widok detektora. To jest detektor ATLAS, który będzie działał w LHC. Myślisz, że jest duży czy mały? Jest duży, ponieważ ludzi tutaj przyciąga skala. Wyobraź sobie, że jest wielkości 4-5-piętrowego budynku. Cała ta bandura jest opuszczona do szybu - nie w całości, ale w kawałkach - jest tam montowana... W zasadzie ATLAS był już praktycznie zamontowany i naprawdę działa. To prawda, że teraz bada nie zderzenia wiązek, ale promienie kosmiczne. Promienie przychodzą z kosmosu, zostawiają też ślad w detektorze, on je po prostu sprawdza – rzeczywiście wszystko działa jak należy. Najważniejszą rzeczą jest to, że nie chodzi tylko o kawałki żelaza, które są tutaj instruowane - to bardzo złożona technika. Jest dosłownie wypchany elektroniką, a użyta tutaj substancja jest bardzo rzadka i złożona. Jeśli sobie wyobrażasz - dla umysłu jest niezrozumiałe, ile to wszystko kosztuje. W rzeczywistości nie stworzyła tego żadna grupa - kilka tysięcy osób pracowało nad tym przez kilka lat.
Pytanie:Ile detektorów ATLAS zostanie zainstalowanych w tych zderzaczach?
ATLAS to nazwa własna, tak nazywa się ten konkretny detektor. Jeśli chodzi o detektory w ogóle, to tutaj jest pokazane: będą dwa duże detektory, które są przeznaczone do wszystkiego na świecie - ATLAS i CMS (są to takie ogromne bandury), plus dwa mniejsze detektory - ALICE i LHCb. No i kilka innych bardzo małych. Oznacza to, że w rzeczywistości będzie siedem eksperymentów, ale są dwa takie duże.
Powiem ci za chwilę, jak to wszystko się robi. Przyjeżdżasz do jakiejś grupy badawczej - na przykład na południe Włoch. Tam ludzie zajmują się fizyką, jest mała grupka - dwie osoby plus trzech studentów, którzy też naprawdę pracują w ATLASIE. Jak wygląda ich konkretna praca? Mają laboratorium i tam stworzyli, zmontowali, przetestowali, połączyli jakiś mały kawałek, na przykład do tego narożnika. Uważnie go studiują - rok, może dwa. Musisz w pełni zrozumieć, jak działa to urządzenie, aby później, gdy wszystko jest połączone, wszystko było na najwyższym poziomie. Studenci na tym bronią pracy semestralnej lub dyplomu i tak dalej.
Potem, kiedy wszystkie te rzeczy zostały zbadane i ukończone w dosłownie dziesiątkach, może nawet setkach laboratoriów na całym świecie, wszystko to jest gromadzone w jednym miejscu, a następnie gromadzone są duże części. Tutaj np. tutaj w środku jest bardzo ważny czujnik centralny, jest on montowany w jednym miejscu. Gdzie indziej zbierają na to kawałki i tak dalej. Po zebraniu wszystkiego, wszystkie są przewożone do CERN-u, gdzie znajduje się ta instalacja, opuszczane do kopalń i montowane na miejscu. To bardzo ciężka praca.
Widzisz ten centralny detektor, który jak powiedziałem jest bardzo ważny? Wygląda na bardzo mały, ale w rzeczywistości jest wielkości człowieka. Oto zdjęcie. Tutaj człowiek siedzi i montuje ostatnie części do tego dużego (w tej skali) detektora centralnego. To cylinder wypełniony wyrafinowaną elektroniką. Oto niewielkie zbliżenie, aby pokazać, ile przewodów tam idzie. I dla każdego przewodu będzie sygnał, że taka a taka cząstka poleciała tutaj, zostawił tyle ładunku i tak dalej. Kiedy to wszystko analizuje się razem – z dziesiątek, setek tysięcy przewodów – to wszystko razem i daje obraz tego, co się wydarzyło.
A oto przykład substancji, która została stworzona specjalnie do eksperymentów fizyki cząstek elementarnych (nie w tym eksperymencie LHC, ale wcześniej). Jest to aerożel, który jest czasami określany jako „stały dym”. Jest to substancja bardzo lekka i dość krucha, ponadto jest lżejsza od piany. Jest tylko kilka razy cięższy od powietrza, nieważki, półprzezroczysty. Jego osobliwością jest to, że jego współczynnik załamania światła to taki, który nie występuje w żadnej substancji w przyrodzie - 1,05. Z jakiegoś powodu to nie istnieje w naturze. Lub jak woda - 1,3 lub jak gazy - 1,00002. Ale takiej substancji nie było i trzeba ją było stworzyć. Ponieważ za pomocą tego kawałka bardzo wygodnie jest zmierzyć prędkość cząstki.
A oto jak to będzie wyglądało – oczywiście modelując – rozpad wyłapanej cząstki (bozon Higgsa). Powiedziałem, że kolizje zdarzają się bardzo często, napływają miliardy, biliony danych. Jeśli posortujesz je za pomocą komputera, czasami takie zdarzenia się zdarzają. Każde takie zdjęcie nazywa się wydarzeniem. Cóż, co tu widzisz? To jest symulowany widok końca detektora CMS. Tutaj widać, że są cząstki, które się w ten sposób rozproszyły, są cząstki, które doleciały tutaj i wypuściły dużo energii, są też takie, które lecą małe. Tak będą wyglądać narodziny i rozpad bozonu Higgsa; ludzie będą polować na takie wydarzenia.
Zdarzenia nie zawsze będą takie proste, czasami będą złożone. Tutaj pokazane jest kolejne zderzenie: nie proton z protonem, ale zderzenie dwóch jąder w detektorze ALICE (to też jest symulacja). Wyobraź sobie: zderzyły się dwa ołowiane jądra, mają już razem 400 cząstek, a nawet narodziła się wiązka, a te tysiące cząstek rozpraszają się w różnych kierunkach z jednego punktu. Detektor nie powinien tylko patrzeć i mówić: „Och, ile cząstek!” Musi zmierzyć wszystkie te trajektorie, policzyć liczbę cząstek, ich energie, zsumować to wszystko i zrozumieć, jak te cząstki rozleciały się. To znaczy, w pierwszej chwili, kiedy po prostu się zderzyli, wszystko zaczęło się poruszać. Wszystko to jest wymagane, dlatego tworzą tak złożoną technikę.
Ty i ja wiemy, że istnieją dwa mechanizmy powstawania masy, o których wiemy na pewno, że istnieją. To jednak nie koniec historii, bo niewykluczone, że istnieją inne sposoby na generowanie masy. To, co widzimy jako masywne ciało, może w rzeczywistości uzyskać swoją masę z bardzo różnych mechanizmów.
Ten wielki zderzacz dostarczy nie tylko odpowiedzi na pytania, które dręczą fizyków od wielu lat, ponieważ teoretycy nie wiedzą już, co wymyślać, ponieważ nagromadziło się zbyt wiele opcji, konieczne jest, aby natura na nie odpowiedziała. Otworzy też nową drogę do dalszych teorii. Fizycy zrozumieją, gdzie iść dalej i co rozwijać.
Pytania po wykładzie
Pytanie: To zostało powiedziane o bozonie Higgsa. Pole Higgsa... Czy... Bozon Higgsa jest ze sobą powiązany - czy to jest... co dokładnie jest interesujące dla...?
Naprawdę zapomniałem powiedzieć. Więc spójrz. Bozon Higgsa jest fluktuacją tego pola Higgsa, to zupełnie nowy rodzaj cząstki. Ale można to też zilustrować - jest to analogia z wodą. Pamiętaj, powiedziałem: Styropian na stole i trochę wody. Kiedy dmuchasz na tę wodę, nie tylko widzisz, że same cząsteczki gdzieś unosiły się w powietrzu, ale czasami, zwłaszcza jeśli mocno dmuchasz na wodę, zobaczysz fale na powierzchni wody, które się rozpraszają. Tak więc fale są wibracjami ośrodka, które powstrzymują cząstki. Czy rozumiesz? A ich obecność jest ważnym dowodem na to, że naprawdę istnieje jakieś środowisko. Tak więc bozon Higgsa jest również oscylacją pola Higgsa. Aby go zrodzić, konieczne jest zderzenie z dużą prędkością, z dużą energią cząstki. I dlatego trzeba go otworzyć. Jeśli nie jest otwarty, to w rzeczywistości oznacza to, że ta teoria jest błędna.
Pytanie:Jaka jest szacunkowa masa bozonu Higgsa?
Ale to jest najtrudniejsze. Ponieważ, mówię, różne modele przewidują zupełnie różne rzeczy. Niektórzy w ogóle niczego nie przewidują. Niektórzy przewidują. Istnieją ograniczenia eksperymentalne - cóż, niektóre, niezbyt ważne. Problem w tym, że nie jest jeszcze jasne, jaką ma masę.
Pytanie:Mówiłeś o mechanizmie Higgsa do powstawania masy. Jest jasne, dlaczego cząstki stają się obojętne, ale nie jest jasne, dlaczego miałyby się przyciągać, skoro mają w ten sposób masę? Cóż, to znaczy grawitacyjnie. Skąd zatem bierze się grawitacja?
To jest czyste. Więc spójrz. Zróbmy to. Mechanizm Higgsa nie jest bezpośrednio związany z grawitacją. Grawitacja, ściślej mówiąc, nie występuje między masami – w przypadku Newtona występuje między masami, ale w teorii względności, w ogólnej teorii względności, występuje między obiektami, które mają energię. Czy rozumiesz? Tak więc, jeśli masz bezmasową cząsteczkę, ale gdzieś leci, to ma też energię. I w zasadzie również przyciąga. Tyle tylko, że gdy cząsteczka ma masę, można ją zatrzymać, a wtedy z jej energii pozostanie tylko masa. Ale to jest szczególny przypadek. W rzeczywistości grawitacja istnieje również między bezmasowymi cząstkami. Mechanizm Higgsa po prostu pokazuje to inaczej, ale grawitacja jest.
Pytanie:Powiedziałeś, że neutron i proton, zwłaszcza proton, składają się z trzech kwarków, które generują pole gluonowe. A jak obliczyli liczbę kwarków w neutronie i protonie iw ogóle - jak eksperymentalnie sprawdzić ich istnienie, jak to udowodnić?
Powtórzę teraz, powiedziałem już w zasadzie, że gdyby ich nie było, gdyby wszystko było wypełnione cząstkami stałymi, to przy zderzeniu cząstek wszystko by się rozleciało jakoś mniej więcej izotropowo. W różnych kierunkach, ale mniej więcej tak samo. Eksperymenty pokazują, że kiedy zaczynasz zderzać się z cząstkami przy wysokich energiach, rezultatem są dżety, dżety, które są bardzo wąsko skierowane. Obliczenia pokazują, że mogą wystąpić tylko wtedy, gdy masz małe, zwarte obiekty, które rozlatują się i tworzą dżety. Ich liczba jest również związana z danymi eksperymentalnymi - są to rzeczy techniczne, czyli można je również przywrócić.
Pytanie:Powiedziałeś, że protony różnią się tylko rozmieszczeniem kwarków...
Nie protony, ale jest wiele innych protonów - cząstek, które wyglądają jak protony. A wszystkie z tej serii różnią się od siebie nie ilością, a jedynie rozmieszczeniem kwarków.
...a jednocześnie powiedziałeś, że istnieją różne kwarki. Czyli zależy to również od różnicy między kwarkami?
Tak, to znaczy, są po prostu kwarki, powiedzmy, ciężkie, które same w sobie są ciężkie. Są niestabilni, ale trochę żyją. I z nich też możesz zrobić analog protonu. Te cząstki są znane, są otwarte, tutaj są to po prostu cięższe cząstki - siedzą w nich inne kwarki.
Pytanie:Chciałbym raczej zapytać nie o sam wykład, ale o całe pytanie. Jakie inne mechanizmy są możliwe do powstania masy?
To jest czyste. Cóż, powiem jeszcze kilka. Po pierwsze, istnieje teoria superunifikacji, która łączy trzy znane siły - słabą, silną i elektromagnetyczną. Wszystko to dzieje się na jeszcze mniejszych odległościach, na które współczesne eksperymenty w ogóle nie docierają. We współczesnych teoriach, które próbują to opisać, istnieje również odpowiednik pola Higgsa, tyle że jest ono cięższe. Tak więc prawdopodobnie istnieją cząstki, które uzyskują swoją masę nie dzięki temu polu Higgsa, które jest niejako „nasze”, które będzie badane w LHC, ale dzięki cięższemu. Cóż, to chyba ten sam mechanizm, ale są takie cząstki.
Zupełnie inną drogą jest teoria superstrun. Jest taka modna teoria superstrun. Tam drgania struny nie są polem Higgsa, ani koncentracją energii – to po prostu nowy mechanizm generowania masy.
Generalnie nie wiem jak sobie wyobrażasz masę. Może myślisz, że to coś wyjątkowego. W rzeczywistości, jeśli napiszesz równanie, to jest to tylko jakiś dodatkowy wyraz, który się tutaj pojawia. Ten termin wygląda jak masa. Nazywamy to masą. To znaczy, nie ma nic szczególnie zaskakującego w tym, że masa pojawia się w jakiś sposób, nie.
Pytanie:Powiedziałeś, że kiedy jądra zderzają się, rozpraszają się na kilkaset cząstek. Rozproszą się na kwarki - i co jeszcze?
Rozpraszają się na różne sposoby, w zależności od energii. Potrafią wiele. Ale nie rozproszą się na kwarki. Sytuacja jest taka. Powiedziałem już, że nie można po prostu wyciągnąć kwarka z protonu. Jeśli spróbujesz to zrobić, twoje pole gluonowe zacznie "pęcznieć" iw pewnym momencie pęknie - po prostu energetycznie korzystne jest rozbicie go w ten sposób. Kiedy pęka, w punkcie przerwania rodzi się para kwark-antykwark (jeśli trochę znasz terminologię). Okazuje się, że próbowali oderwać kwark od protonu - i to nie był kwark, który został oderwany, ale mezon pi (jest to cząstka składająca się z kwarka i antykwarka). Kiedy te cząstki faktycznie rodzą się w tym procesie, wygląda to mniej więcej tak: najpierw zderzają się pierwsze kwarki, które próbują się rozlecieć. Kiedy odlecą na pewną odległość, ta chmura pęka, tutaj pojawia się „kwark + antykwark”, a tutaj „kwark + antykwark”, a następnie pęka w różnych miejscach. A po tym, jak to wszystko zostało rozerwane i energia już się uspokoiła (bo energii na początku było za dużo), wtedy cząstki rozlatują się: mezony pi, mezony K, różne hadrony i tak dalej.
Pytanie:W rezultacie, jeśli weźmiemy teorię pola Higgsa, różne cząstki mają różne masy?
I to też jest niezrozumiałe. Na to pytanie nie ma odpowiedzi w ramach tej teorii. Niestety są pytania, na które ta teoria nie odpowiada. Bez tej teorii wiemy, że istnieją różne cząstki o różnych masach. Ta teoria mówi to samo, tylko innymi słowy: te cząstki przyczepiają się do pola na różne sposoby. Ale dlaczego tak bardzo się trzymają, jest całkowicie nieznane. Fizycy mają nadzieję, że to zacznie się wyjaśniać, gdy w końcu odkryją ten bozon Higgsa, ponieważ istnieje wiele możliwości i zaczną zastanawiać się, czym właściwie jest pole Higgsa, jaki konkretny mechanizm generuje je w polu Higgsa. cały wszechświat. Ale to wciąż otwarte pytanie.
Pytanie:Czy zjawisko dualizmu jest związane z chmurą gluonową?
Nie, nie spokrewniony. Dualizm – w sensie dualizmu falowo-cząstkowego – powstaje po prostu w mechanice kwantowej, bez żadnych dodatkowych cząstek, bez gluonów.
Pytanie:Teoria strun stara się wyjaśnić nie tylko jak, ale także dlaczego. Ale czy teoria pola Higgsa wyjaśnia, dlaczego istnieje taka różnorodność cząstek?
Nie, nie, oczywiście, że nie. Ta wersja teorii Higgsa (jej oficjalna nazwa to „teoria elektrosłabych ze spontanicznym łamaniem sił elektrosłabych”) nie wyjaśnia tego. W rzeczywistości nie jest to wcale alternatywa dla tej teorii strun. Są to teorie, które działają „na różnych piętrach”, powiedzmy tak. Teoria superstrun również nie mówi jak dotąd nic o tym mechanizmie Higgsa.
Pytanie:Czy te teorie mogą się pokrywać?
Nie przecinają się, mogą podążać jedna za drugą. Teoria superstrun jest formułowana przy bardzo wysokich energiach. Po zagęszczeniu wszystkiego uzyskuje się niskie energie. Co się stanie przy niskich energiach, teoria superstrun nie może jeszcze odpowiedzieć. Teraz, jeśli uda jej się wydobyć pole Higgsa, będzie to wielki sukces, ale jak dotąd nie może tego zrobić.
Pytanie:Powiedziałeś, że coś z teorii Higgsa zostało już potwierdzone. Co dokładnie?
Potwierdziło to, co następuje. Istnieją cząstki przenoszące oddziaływania słabe: bozony W i Z. Mają masę, a ta masa jest również generowana przez mechanizm Higgsa. Ale w przeciwieństwie do zwykłej materii - elektronów i kwarków - nie ma tam niepewności, wszystko jest jasno określone w teorii. Oznacza to, że teoria może po prostu wyraźnie obliczyć na przykład stosunek mas tych cząstek do siebie. Ta wartość została obliczona i przewidziana w latach 70-tych. Następnie rozpoczęli eksperymentalne polowanie na te bozony W i Z. Zostały odkryte, a ich masy pokrywają się z dokładnością 1-2% z przewidywaniami tej teorii. Trudno sobie wyobrazić inne modele, które dają tak dobrą zgodność. Ale moim zdaniem są, to znaczy w zasadzie nadal istnieją alternatywy. Tym razem. Po drugie, cząstki, które nie zostały jeszcze odkryte, można wyczuć, nawet jeśli ich nie widać. W mechanice kwantowej są takie wirtualne poprawki - fluktuacje ciężkich cząstek, kiedy ciężkie cząstki nie rodzą się, tylko pojawiają się na chwilę w próżni, a potem znowu znikają (ale to tylko słowa, w rzeczywistości nie trzeba wyobraź sobie to zdjęcie wizualnie). Mechanizm ten wpływa na właściwości cząstek i ich reakcje rozpraszania - cóż, zwykłe cząstki, na przykład protony. Te poprawki, czynniki korygujące, zostały obliczone w ramach teorii Higgsa i wydają się zgadzać z eksperymentem. Oznacza to, że bozon Higgsa nie został jeszcze odkryty, ale jest już niejako odczuwany pośrednio.
Pytanie:Słyszałem o teorii - może to teoria superstrun - która mówi, że nasz wszechświat jest falą pulsującą i że przy dużym powiększeniu z tych fal zbudowane są również atomy. Czy możliwe jest zagnieżdżenie Wszechświata w Twojej wersji?
Nie mogę powiedzieć, że to niemożliwe, ale nie znam naprawdę działającej teorii.
Pytanie:Czy w zderzaczu zdarzają się wypadki? Prawdopodobnie istnieją ogromne promieniowanie?
Są, tak. Rzadko, ale są. Zwykle starają się ich unikać. Jeden pracownik zginął podczas budowy LHC, zmarł z powodu naruszenia bezpieczeństwa. W niektórych kopalniach podniesiono ładunek, którego nie naprawiono. Pracownik był na dole i po prostu go przybił. Mówią też (nie wiem, jak bardzo można w to uwierzyć), że promień trafił człowieka w głowę. Przebił się przez dziurę, ale po tym nadal żył.
Są oczywiście ogromne energie i tak naprawdę nie zostawiają niczego w miejscu, do którego się udają. Oznacza to, że mogą łatwo przebić się przez ten kanał. Ale to nie znaczy, że rozwalą wszystko na strzępy, jak pokazują na filmach. W zasadzie jest to możliwe, ale na ile to jest realistyczne – nie wiem.
Ale zdarzały się tylko drobne obrażenia, na przykład, gdy ludzie zapomnieli wyłączyć pole magnetyczne. Kiedy przechodzisz obok, a w kieszeni np. klucz francuski, z takim naciskiem po prostu wylatuje z kieszeni i może cię zranić.
Pytanie:Co powstrzymuje cząstkę „kwark + antykwark” przed zwykłą anihilacją?
Nic nie stoi na przeszkodzie, naprawdę unicestwiają. W rzeczywistości zależy to od tego, którą cząsteczkę wziąć. Oto mezon pi-null - składa się z kwarka i tego samego antykwarka. Mogą ulec anihilacji, w wyniku czego ulegają rozpadowi na fotony. Mezon pi faktycznie rozpada się na fotony.
Skąd wiedzą, że istniał?
Są cząstki, które żyją wystarczająco długo – na przykład mikrosekundy. Przez mikrosekundy z prędkością światła potrafią sporo latać. Pozostawiają ślady w sprzęcie detekcyjnym: widać tylko, że cząsteczka się porusza, a następnie dzieli się na dwie części. Wszystko wygląda na prawdziwe. A mezon pi-zero żyje bardzo krótko i dlatego nie ma czasu nigdzie latać. Cząstki tego rodzaju są przywracane zgodnie z masą niezmienniczą, czyli całkowitą energią produktów rozpadu. Jeśli masz cząstkę - na przykład mezon pi-null - który może rozpaść się na dwa fotony, to obserwujesz jej reakcje w pewnego rodzaju zderzeniu. Nie w jednym, ale w wielu: po prostu tysiące podobnych kolizji. I wykreśl rozkład na całkowitej energii tych dwóch fotonów. Zwykle obraz wygląda tak: przy różnych energiach dostajesz mało fotonów, a przy określonej energii dostajesz dużo. Okazuje się, że taki szczyt. Jeśli wierzymy w elektrodynamikę kwantową, teorię kwantową, to dzieje się tak tylko dlatego, że powstała cząstka, która rozpadła się. W ten sposób wracają do zdrowia.
Pytanie:Pojawił się pomysł, że ciche kwarki i poruszające się kwarki to różne rzeczy. Proszę wyjaśnić, jak bardzo się różnią. Czy to naprawdę różne rzeczy? Czy te trywialne różnice – jak obiekt w spoczynku i kurczący się obiekt w ruchu – czy nie?
Nie, to są bardziej złożone różnice.
Czy w tym przypadku pozostaje niezmienność teorii relatywistycznej? W końcu wszystko musi być zgodne z teorią względności.
Tam wszystko się zgadza. Teraz nie ośmielę się wyjaśniać tego na tym poziomie. To jest bardziej złożone połączenie. Jeśli chcesz, możesz porozmawiać o tym osobno.
Pytanie: Mam kilka pytań wyjaśniających.
1. Czy LHC to zderzacz pp czy anty-pp?
Tak, to jest pp, czyli zderzacz proton-proton. Dzieje się tak, ponieważ bardzo trudno jest uzyskać antyprotony w takich ilościach. Nie istnieją w naturze, trzeba je zdobyć. W zderzaczu jest dużo cząstek o wysokim stężeniu, trzeba je bardzo szybko uzyskać.
2. Mówiłeś o nadprzewodnictwie io tym, że efekt ten występuje w dużych ilościach. Czy to prawda, że nie będzie nadprzewodnictwa w nanocząstkach w próżni w tych samych warunkach?
To jest niezrozumiałe. Właściwie powiedziałem, że nie ma granicy, poniżej której w ogóle nie istnieje, a ponad nią jest całkowicie. Istnieje po prostu zjawisko, które stopniowo włącza się wraz ze wzrostem cząstek.
3. Próbujemy oderwać kawałek chmury gluonowej w protonie. Powiedziałeś, że gdy kawałek zostanie oderwany, chmura rośnie. Skąd proton wie, o ile należy go zwiększyć?
Nie ma potrzeby wyobrażać sobie gluonów jakby po prostu siedziały na swoim miejscu i to wszystko. W rzeczywistości każdy gluon nie jest czymś tak małym, ale znajduje się bezpośrednio w całym protonie. Po prostu przeszkadzają sobie nawzajem, w jakiś podchwytliwy sposób. Jeśli oderwiesz kawałek chmury gluonowej, wszystkie cząstki „poczują”, że coś się stało i zaczną się mnożyć, aby wszystko wypełnić.
Do kiedy to zrobią?
Dopóki nie wypełni wszystkiego. Tutaj mogę podać prostszą analogię z rozkładem prędkości Maxwella. Jeśli weźmiemy gaz w stanie spokojnym w temperaturze pokojowej i zmierzymy prędkości, to będzie to rozkład Maxwella. A teraz usuńmy cząstki wysokoenergetyczne (w zasadzie można to zrobić - nie po to, aby je usunąć, ale dramatycznie je spowolnić). Rezultatem jest taki zniekształcony profil. Co zrobią pozostałe cząstki? Czy będą poruszać się w ten sam sposób? Nie: jeśli chwilę poczekasz, to wszystko się wyrówna i znowu stanie się rozkładem Maxwella, no, może trochę przesuniętym. Podczas interakcji nieprawidłowe, niestabilne stany stopniowo przeradzają się w stabilne. To samo dotyczy chmury gluonowej.
4. Jeśli gluony zdecydują się na pomnożenie i wypełnienie objętości, czy ich całkowita energia wzrośnie?
Nie, kiedy jeden gluon emituje inny, energia jest między nimi dzielona.
Czyli liczba wzrasta przy jednoczesnym oszczędzaniu energii?
Cząstki kwantowe - są: ich liczba nie jest ustalona, ale energia tak .
Pytanie:Kiedy odrywamy kawałek chmury gluonowej, zabieramy też trochę masy. Następnie chmura zostaje przywrócona. Mogę to wielokrotnie oderwać. Czy to się kiedykolwiek skończy?
Jeśli naprawdę oderwiesz kawałek, wpłyniesz na ten proton. Nie możesz po prostu podnieść i odczepić kawałka. Sam proton nie rozpada się na podproton i inny fragment pola gluonowego, ponieważ są przyciągane. Jeśli chcesz wyciągnąć z niego kawałek chmury goyuon, to musisz go jakoś wyciągnąć. I w tym momencie wkładasz w ten proton dodatkową energię. Ta energia jest całkowicie zużywana na budowanie nowej chmury goyuon. Oznacza to, że wystarczy dokładnie wyobrazić sobie, jak to się naprawdę dzieje.
Pytanie: Eksperymentalnie wykryte procesy odwrotne - od pól gluonowych po kwarki?
Tak, pola gluonowe mogą się zderzać i mogą powstać pary „kwark + antykwark”.
Pytanie:Czy pole Higgsa może pomóc wyjaśnić naturę ciemnej energii?
Energia? Cóż, materia oczywiście może pomóc, ale co z energią? To trudna sprawa. Znowu nie mogę powiedzieć, że nie może. Ale ciemna energia jest wciąż bardziej niejasna niż ciemna materia. Ciemna energia musi uwzględniać pole Higgsa. Jeśli ktoś podejmuje się opisać ciemną energię w jakimś modelu, musi również wziąć pod uwagę gęstość energii pola Higgsa. Na razie nie mogę powiedzieć nic bardziej konkretnego.
Pytanie:Czym różniły się teoretycznie różne cząstki, które nie miały masy przed polem Higgsa?
Wcale się nie różniły. Faktem jest, że wtedy - "wtedy" to znaczy tuż przed naruszeniem tej symetrii - pomiędzy tymi cząstkami była pełna symetria. Wyglądali tak samo. Obecnie znane są trzy leptony: elektron, mion i lepton tau. Różnią się masą. A potem wszystkie były bezmasowe i wyglądały dokładnie tak samo. A potem symetria została złamana, pojawiły się masy i tak dalej.
Pytanie:Jeśli możemy oderwać kawałki chmury gluonowej, czy możemy mieć taką samą energię, ale bez kwarków w środku?
Tak, teoretycznie jest to możliwe. Ale eksperymentalnie nie zostało to jeszcze odkryte, chociaż szukali od 40 lat. To się nazywa gluball.
Pytanie:Czy mógłbyś napisać listę dobrych książek z fizyki dla początkujących?
Cóż, nie zajmę się całą fizyką, ale na temat fizyki cząstek elementarnych i tego, co jest związane z LHC, mogę napisać wybór.
26. Przestrzenna organizacja chromosomów wewnątrzfazowych wewnątrz jądra, euchromatyna, heterochromatyna.
A jądro międzyfazowe jako całość to przestrzenna organizacja chromosomów
W wyniku rozwoju metod otrzymywania preparatów chromosomów metafazowych możliwe stało się analizowanie liczby chromosomów, opisywanie ich morfologii i wielkości. To prawda, że fizyczne wymiary i morfologia chromosomu na preparatach cytologicznych są bardzo silne
zależne od stadium mitozy i warunków przygotowania odpowiedniego preparatu cytologicznego. Minęło wiele lat, zanim wykazano, że wielkość i morfologia chromosomów w fazie G2 cyklu komórkowego niewiele różni się od rzeczywistych chromosomów mitotycznych.
Rozwój biologii komórkowej i molekularnej umożliwił wizualizację poszczególnych chromosomów w jądrze międzyfazowym, ich
mikroskopia trójwymiarowa, a nawet identyfikacja poszczególnych obszarów. Badania w tym kierunku prowadzono zarówno na komórkach stałych, jak i żywych. Okazało się, że długie chromosomy profazy i prometafazy, dobrze znane biologom z preparatów cytologicznych, są po prostu wynikiem rozciągania się chromosomów w procesie rozprowadzania ich na szkle. W późniejszych stadiach mitozy chromosomy skuteczniej opierają się rozciąganiu i zachowują swój naturalny rozmiar. W eksperymentach na żywych komórkach stosuje się różne metody znakowania fluorescencyjnego oraz mikroskopię 4D. Tak więc w przypadku obserwacji całego życia poszczególnych chromosomów, najpierw do DNA wszystkich chromosomów hodowanych w komórkach wprowadzono znacznik fluorescencyjny, a następnie pożywkę zastąpiono
wolne od fluorochromów komórki poddano kilku cyklom komórkowym. W rezultacie w hodowli pojawiły się komórki.
Termin ten odnosi się do kompleksu jądrowego DNA z białkami (histonami, białkami niehistonowymi).
Istnieją hetero- i euchromatyna.
heterochromatyna - nieaktywna transkrypcyjnie, skondensowana chromatyna jądra wewnątrzfazowego. Znajduje się głównie na obrzeżach jądra i wokół jąder. Typowym przykładem heterochromatyny jest ciało Barra.
Chociaż z perspektywy historycznej jest mniej dobrze poznana niż euchromatyna, nowe odkrycia sugerują, że heterochromatyna odgrywa kluczową rolę w organizacji i prawidłowym funkcjonowaniu genomów od drożdży po ludzi. Jego potencjalne znaczenie podkreśla fakt, że 96% genomu ssaków składa się z sekwencji niekodujących i powtarzalnych. Nowe odkrycia dotyczące mechanizmów powstawania heterochromatyny ujawniły nieoczekiwane rzeczy
Euchromatyna – aktywna transkrypcyjnie i mniej skondensowana część chromatyny, zlokalizowana w jaśniejszych obszarach jądra między heterochromatyną, bogata w geny Region chromosomu słabo barwiący się lub nie barwiący się wcale. Rozproszona faza zimowa. Aktywnie transkrybowany. Euchromatyna charakteryzuje się mniejszym zagęszczeniem DNA w porównaniu z heterochromatyną i, jak już wspomniano, lokalizuje głównie aktywnie eksprymowane geny.
Euchromatyna lub „aktywna” chromatyna składa się głównie z sekwencji kodujących, które stanowią tylko niewielką część (mniej niż 4%) genomu ssaka.
Zatem zbiorczy termin „euchromatyna” najprawdopodobniej oznacza złożony stan (stany) chromatyny, obejmujący dynamiczną i złożoną mieszaninę mechanizmów, które ściśle oddziałują ze sobą i z fibrylami chromatyny i są przeznaczone do przeprowadzania transkrypcji funkcjonalnego RNA .
19632 0
Wykorzystując subtelną kombinację akceleratorów cząstek, promieni rentgenowskich, laserów o dużej intensywności, diamentów i atomów żelaza, naukowcy byli w stanie obliczyć temperaturę wewnętrznego jądra naszej planety.
Według nowych obliczeń jest to 6000 stopni Celsjusza, czyli o tysiąc stopni więcej niż wcześniej sądzono.
Tak więc jądro planety Ziemia ma wyższą temperaturę niż powierzchnia Słońca.
Nowe dane mogą wymagać ponownego przemyślenia faktów uważanych za niepodważalne w takich dziedzinach wiedzy, jak geofizyka, sejsmologia, geodynamika i innych dyscyplinach zajmujących się badaniem planety.
Ziemia widziana w głąb powierzchni składa się ze skorupy, stałego górnego płaszcza, następnie w większości solidnego płaszcza, zewnętrznego jądra z roztopionego żelaza i niklu oraz wewnętrznego jądra z litego żelaza i niklu. Zewnętrzny rdzeń znajduje się w stanie ciekłym z powodu wysokich temperatur, ale wyższe ciśnienie w rdzeniu wewnętrznym zapobiega stopieniu się skały.
Odległość od powierzchni do środka Ziemi wynosi 6371 km. Grubość skorupy 35 km, płaszcz 2855 km; Na tle takich odległości studnia Kola o głębokości 12 km wygląda jak drobiazg. W zasadzie nie wiemy nic na pewno o tym, co dzieje się pod skorupą. Wszystkie nasze dane opierają się na falach sejsmicznych trzęsień ziemi odbijających się od różnych warstw Ziemi i żałosnych okruchach spadających z głębi na powierzchnię, jak magma wulkaniczna.
Naturalnie naukowcy z wielką przyjemnością odwierciliby studnię do samego rdzenia, ale przy obecnym poziomie rozwoju technologii to zadanie nie jest możliwe. Już na dwunastu kilometrach wiercenie studni Kola musiało zostać przerwane, ponieważ temperatura na takiej głębokości wynosi 180 stopni.
Na piętnastu kilometrach przewidywana temperatura to 300 stopni, a przy niej nowoczesne platformy wiertnicze nie będą w stanie pracować. Tym bardziej, że obecnie nie ma technologii, które umożliwiłyby wiercenie w płaszczu w zakresie temperatur 500-4000 stopni. Nie należy zapominać o praktycznej stronie sprawy: poza skorupą nie ma ropy, więc może nie być nikogo, kto będzie chciał zainwestować w próbę stworzenia takich technologii.
Aby obliczyć temperaturę w jądrze wewnętrznym, francuscy naukowcy dołożyli wszelkich starań, aby odtworzyć w laboratorium ultrawysokie temperatury i ciśnienia w rdzeniu. Najtrudniejszym zadaniem jest symulacja ciśnienia: na tej głębokości osiąga ono wartość 330 gigapaskali, czyli trzy miliony razy więcej niż ciśnienie atmosferyczne.
Do jej rozwiązania wykorzystano ogniwo z kowadłami diamentowymi. Składa się z dwóch rombów w kształcie stożka, które działają na materiał z dwóch stron na obszarze o średnicy mniejszej niż milimetr; w ten sposób na próbkę żelaza zastosowano ciśnienie 200 gigapaskali. Żelazo następnie ogrzewano laserem i poddano analizie dyfrakcyjnej promieniowania rentgenowskiego w celu zaobserwowania przejścia ze stanu stałego do ciekłego w tych warunkach. Wreszcie naukowcy dostosowali swoje wyniki do ciśnienia 330 gigapaskali, w wyniku czego temperatura powłoki wewnętrznego rdzenia wyniosła 5957 plus minus 500 stopni. Wewnątrz samego rdzenia wydaje się być jeszcze wyższy.
Dlaczego ważne jest ponowne przemyślenie temperatury jądra planety?
Pole magnetyczne Ziemi jest generowane właśnie przez jądro i wpływa na wiele zdarzeń zachodzących na powierzchni planety – na przykład utrzymuje atmosferę w miejscu. Świadomość, że temperatura rdzenia jest o tysiąc stopni wyższa niż wcześniej sądzono, nie daje jeszcze żadnych praktycznych zastosowań, ale może się przydać w przyszłości. Nowa wartość temperatury zostanie wykorzystana w nowych modelach sejsmologicznych i geofizycznych, co w przyszłości może doprowadzić do poważnych odkryć naukowych. Ogólnie rzecz biorąc, pełniejszy i dokładniejszy obraz otaczającego świata jest cenny dla naukowców sam w sobie.
Konstantin Mokanow
Jego masa wynosi 9 675 1022 kg. Średnia gęstość rdzenia wewnętrznego wynosi 12,85 g/cm³. Gęstość w środku rdzenia wynosi 13,01 g/cm³. Wewnętrzny rdzeń został odkryty w 1936 roku przez duńskiego geofizyka I. Lehmanna.
Czas rozpoczęcia krystalizacji jądra wewnętrznego szacuje się na 2 miliardy lat temu.
Badania sejsmiczne wskazują, że anizotropia prędkości fal sejsmicznych jest rejestrowana w jądrze wewnętrznym: prędkość propagacji fal podłużnych jest o 3-4% większa wzdłuż osi biegunowej niż na planie równikowym.
Jest też punkt widzenia kto?], że rdzeń wewnętrzny nie jest w stanie krystalicznym, ale w określonym stanie podobnym do amorficznego, a jego właściwości sprężyste wynikają z ciśnienia.
Fundacja Wikimedia. 2010 .
Zobacz, co „Wewnętrzny rdzeń” znajduje się w innych słownikach:
Rdzeń wewnętrzny- Najprawdopodobniej solidna część jądra Ziemi, położona poniżej 5000 km ... Słownik geograficzny
Ogólna struktura planety Ziemia ... Wikipedia
Środek. region Ziemia ograniczona kulistą powierzchnią, której średni promień wynosi 3470 km (średnia głębokość 2900 km). W porównaniu do niższego płaszcza substancja Ya. Z. ma zwiększoną gęstość, przewodność elektryczną i zmniejszoną prędkość ... ... Encyklopedia geologiczna
Model Ziemi Jądro Ziemi to centralna, najgłębsza część planety Ziemia, geosfera, położona pod płaszczem Ziemi i prawdopodobnie składająca się z gruczołów ... Wikipedia
NUCLEUS (jądro komórkowe), w biologii obowiązkowa część komórki w wielu organizmach jednokomórkowych i wszystkich organizmach wielokomórkowych. Rozmiary od 1 mikrona (u niektórych pierwotniaków) do 1 mm (w jajach niektórych ryb i płazów). Wszystkie organizmy w naszej biosferze są jak ... ... słownik encyklopedyczny
Został odkryty w 1831 roku przez angielskiego botanika Roberta Browna. Odkrył to w komórkach skóry orchidei. Aby zapoznać się z Ya, pobierane są młode części korzenia lub łodygi. Na 1 ryc. komórki w różnym wieku są pokazane z kory korzenia Fritillaira ... ... Słownik encyklopedyczny F.A. Brockhaus i I.A. Efron
Ten artykuł lub sekcja wymaga korekty. Proszę poprawić artykuł zgodnie z zasadami pisania artykułów ... Wikipedia
Ziemia ... Wikipedia
Zdjęcie Earth Apollo 17 przedstawiające charakterystykę orbity Ziemi Apheliona 152 097 701 km 1.0167103335 AU e ... Wikipedia
Książki
- Rdzeń Oracle. Urządzenie wewnętrzne dla administratorów i programistów danych autorstwa Lewisa Jonathana Kategoria: Bazy danych Wydawca: DMK-Press,
- Rdzeń Oracle. The Internals for Database Administrators and Developers autorstwa Lewisa Jonathana , W tej książce autor dostarcza tylko najbardziej istotnych informacji na temat wewnętrznych elementów systemu Oracle DBMS, które każdy administrator bazy danych musi znać, aby skutecznie radzić sobie z ... Kategoria: Bazy danych Wydawca:
Ładowanie...