Бэтмен и физики элементарных частиц имеют много общего.
Конечно, они могут различаться в вопросах крюков для захвата и черных виниловых гульфиков, но крестоносец в плаще и ЦЕРН (Европейская организация ядерных исследований) стремятся к новейшим высокотехнологичным гаджетам и борются с исключительной причудливая галерея мошенников.
Пока Бэтмен ссорится с клоунами-анархистами и мутировавшими экотеррористами, ученые ЦЕРНа пытаются идентифицировать и задержать таких известных противников, какбозон Хиггса.
Вы помните Хиггса. Эта теоретическая (на момент написания этой статьи) частица занимает центральное место в стандартной модели физики. Стандартная модель предполагает, что электричество, магнетизм, свет и некоторые виды радиоактивности являются проявлениями того, что называетсяэлектрослабым взаимодействием. А электрослабое взаимодействие объединяет электромагнитное и слабое взаимодействие, два из четырех фундаментальных сил природы, наряду с сильным взаимодействием и гравитацией. Все еще со мной? Хорошо.
Однако модель работает только в том случае, если частицы вокруг нас имели нулевую массу в период сразу после Большого взрыва. Теоретически частица Хиггса излучаетполе Хиггса, энергетическое поле космического масштаба, которое наделяет все сущим массой, поэтому, если стандартная модель верна, то бозон Хиггса должен существовать. Нам просто нужно поймать его первым.
Другими словами, кто-то ограбил банк, и, о, смотри, это, должно быть, Джокер, потому что - всегда буквалист - он оставил визитную карточку со своим лицом на ней. Между тем, так называемая «божественная частица» живет недолгое время после столкновения ускоренных частиц, а затем оставляет после себя сигнатуру субатомного распада.
Джокер может быть самым известным врагом Бэтмена, но едва ли самым странным. То же самое можно сказать и о бозоне Хиггса, так что давайте познакомимся с другими субатомными суперзлодеями.
5: Загадка Гравитона
Отгадай-ка меня, Бэтмен: как работает гравитация?
Послушай, это не та тема, которую Бэтмен любит обсуждать. По словам физиков из Университета Лестера, гравитация имеет любопытную привычку тянуть Бэтмена к смерти каждый раз, когда костюмированный мститель пытается использовать этот физически непрактичный плащ. Поэтому он склонен оставить в покое всю загадку гравитации и вместо этого гоняться за Эдвардом Нигмой.
Для физиков, однако, этот вопрос имеет гораздо большее - да - значение. Конечно, у нас есть приличное практическое понимание эффектов гравитации. Мы знаем, как его сила влияет на небесную механику и формирование космических тел. И все же у нас нет четкого ответа на загадку гравитации.
Один из возможных ответов приводит нас прямо к другой загадочной частице в галерее субатомных мошенников:гравитонЕсли она действительно существует, то эта гипотетическая частица передает силу гравитации, заставляя объекты притягиваться друг к другу. Ах да, и его существование также позволило бы нам объединить общую теорию относительности с квантовой механикой. Видите ли, гравитация часто действует как разводной ключ в различных всеобъемлющих теориях.
Так что да, гравитон - это большое дело, если только его не существует.
4: Дикий мир тахионов
Быстро. сексуальный. Трудно поймать.
У Бэтмена есть Женщина-кошка, и физикам частиц приходится бороться с неуловимым - и, возможно, ошибочным - существованиемтахионов. Один - сексуальный грабитель, одетый в кожу, а другой - субатомная частица, движущаяся быстрее скорости света.
Я знаю, что вас интересует: как тахион может двигаться быстрее скорости света, если скорость света действительно является «универсальным пределом скорости»? Это все равно, что сказать: «Утки не могут носить штаны», а затем камера показывает крякву, одетую в чертовы вельветовые брюки. У нас есть универсальные законы не просто так, люди.
Бывает даже хуже: если принципы специальной теории относительности верны, тахионы не только нарушают универсальный предел скорости, но и нарушают саму причинно-следственную связь. По крайней мере, в этой вселенной причина всегда предшествует следствию. Без действия этого закона ткань вселенной распускается.
Если тахионы существуют, то, вероятно, из-за этой лазейки: хотя теория относительности не позволяет материи ускоряться до скорости света (поскольку для этого потребуется бесконечная энергия), она не применима к частицам, которые всегда движутся быстрее скорости света. Для тахионов минимальная скорость равна скорости света, и потребовалась бы бесконечная энергия только для того, чтобы замедлить их до субсветовых скоростей.
Тахионы: Это демоны полной скорости, и они могут просто существовать на самом деле.
3: Майорана Фермион, Двуликий Дьявол
Может ли что-то быть своей противоположностью?
Да, Бэтмен кое-что знает об этом.
Вы помните историю: героический адвокат Харви Дент получает ужасные ожоги 50 процентов тела, и его разум отключается. Злая, преступная личность поднимается на поверхность, и он становится Двуликим, одержимым монетами маньяком со смехотворным вкусом в половинчатой одежде.
Физики, занимающиеся элементарными частицами, также имеют парадоксальное двуличие в своей галерее мошенников:майоранский фермион, частица, которая действует как собственная античастица.
Давайте обновим. Согласно стандартной модели частицы и квазичастицы делятся на две категории: фермионы и бозоны. Лагерь фермионов включает, среди прочего, кварки и лептоны, такие как электроны. Мы называем ихфермионами ДиракаЗдесь вы обнаружите, что отрицательно заряженные электроны противостоят античастицам, называемымпозитронами, которые обладают положительным зарядом. Когда эти частицы вступают в контакт друг с другом, они аннигилируют друг друга.
Именно такую двойственность Двуликий оценил бы по достоинству. У медали две стороны, и либо одна, либо другая, орел или решка. Подсуньте ему двуглавую монету или что-то в этом роде, и он взорвется.
Лагерь бозонов включает в себя фотоны, из которых состоит свет; эти блестящие частицы являются их собственными античастицами, производящими абсолютно нейтральный заряд. В самом деле, вы ожидаете такого от бозона.
Но возможно ли такое в лагере фермионов? Еще в 1930-х годах физики предсказывали, что это так, но никто так и не обнаружил так называемый майоранский фермионэксперимент, но это не является официальным подтверждением их существования.
Как только мы получим экспериментальные доказательства, могут произойти интересные вещи. Майорановские фермионы могут похвастаться уникальной способностью «запоминать» прошлые положения относительно друг друга, что делает их очень полезными в области квантовых вычислений. Одна теория даже утверждает, что вся темная материя во Вселенной на самом деле состоит из майорановских фермионов.
Компьютеры темной материи. Просто подумайте об этом на мгновение.
2: Аксионы, прихвостни и черные дыры
Бэтмен, как правило, довольно бурно проводит время с дамами. Если он не уклоняется от смертельных поцелуев Ядовитого Плюща, то это какая-то драма с Женщиной-кошкой. Слушай, либо женись на ней, либо брось уже в тюрьму.
А еще есть Харли Квинн, клоун-убийца с бессмертной (и нездоровой) любовью к заклятому врагу Бэтмена, Джокеру. Конечно, у многих суперзлодеев есть свои прихлебатели и прихвостни, но она стоит особняком, как настоящий помощник.
В субатомном мире физики продолжают следить за гипотетической частицей, известной какаксионАксион заслуживает особого внимания, потому что его существование заполнило бы большой пробел в Стандартная модель физики элементарных частиц. Это также возможный компоненттемной материи.
Но вернемся к сравнениям с Бэтменом. Если Аксионы - это Харли Квинн, то кто такой Джокер? Почему не что иное, как черные дыры. Правильно, ученые предполагают, что, хотя черные дыры всасывают все, от фотонов до звезд, аксионы невосприимчивы к их разрушительной силе. Вместо того, чтобы упасть в сокрушительную сингулярность, аксионы будут вращаться вокруг коллапсирующей звезды в огромном бозонном облаке.
Что еще более безумно, это облако со временем становится довольно массивным, несмотря на крайне малую массу его аксионов. Если облако наконец рухнет в черную дыру, образовавшаясябосенова сотрясет саму ткань пространства-времени. Говорите о несбалансированных отношениях.
1: Частицы-хамелеоны
Даже со всеми сумасшедшими костюмами трудно уследить за действиями суперзлодея в Готэм-сити, особенно когда вокруг бегает оборотень вроде Глиняного Лица. Он может принять облик кого угодно: банковского кассира, Брюса Уэйна, кого угодно. Он адаптирует свой внешний вид к окружающей среде, что делает его довольно хитрым противником.
У физиков элементарных частиц есть свой Глиняный Лик в видечастиц-хамелеонов Пока что мы можем только догадываться об этих своеобразных бозонах, которые могут или не могут способствовать расширению Вселенной. Ученые впервые предсказали их существование в 2003 году как возможное объяснение всей той таинственной темной энергии, которая составляет 70 процентов нашей Вселенной. Подобно оборотням-преступникам, частицы-хамелеоны подстраивают свои свойства под окружающую среду. Например, если частица-хамелеон зависнет здесь, на Земле, где плотность материи высока, она тоже будет иметь большую массу, но ее взаимодействия с материей будут очень слабыми и короткодействующими..
Но это здесь, на Земле. В пустоте космоса частицы-хамелеоны будут иметь малую массу и сильно реагировать с материей на больших расстояниях. Теоретически, эти спекулятивные частицы могут раздвигать вселенную на части в том, что мы называемкосмической инфляцией.
Неудивительно, что частицы хамелеона было бы довольно трудно обнаружить здесь, на Земле. Нам пришлось бы отправиться в глубокое пустое пространство, чтобы обнаружить их присутствие.
Тем не менее, у физиков есть несколько высокотехнологичных схем обнаружения в рукаве, и поиски неуловимого хамелеона продолжаются.
Итак, Темный рыцарь снова возвращается в свою подземную пещеру летучих мышей, и физики тоже исчезают, чтобы управлять своими подземными коллайдерами частиц.
Примечание автора: 5 загадочных субатомных частиц
Как я объяснял в эпизоде «Вещи, которые взорвут ваш разум» «Жил-был бозон по имени Хиггс», я склонен думать о физике элементарных частиц как о торте из писсуара, покрытом шоколадом. Это не комментарий о важности области или удивительности вовлеченных людей, а скорее мой взгляд на ее доступность как темы для широкой аудитории. Откусите немного торта, и все станет шоколадным и вкусным. Однако откусите немного слишком глубоко, и все станет менее вкусным.
Поэтому я постарался сделать эту статью как можно более шоколадной, обсудив некоторые из удивительных свойств наших самых странных субатомных частиц - как реальных, так и гипотетических. Это блестящая обложка гораздо более глубокой книги, потому что лежащая в ее основе наука огромна. В конце концов, область физики элементарных частиц направлена на то, чтобы распутать ткань существования - разрушить материю до ее самой основной формы и расширить наше понимание того, что представляет собой эта вселенная.