квантовая материя что это
Могут ли странные квантовые объекты объяснить наше существование?
Каждый из нас хочет знать кто мы, откуда и куда движемся. Ответы на эти вопросы предлагают самые разные люди, от философов до священников и физиков-теоретиков, но именно последние обладают наибольшими знаниями о Вселенной. До начала ХХ века, однако, никто и предположить не мог, что элементарных частиц окажется так много, что из них можно составить целый «зоопарк». Лишь в 1925 году на смену старой квантовой теории пришла квантовая механика, которая основывается на волновых уравнениях и принципе неопределенности, а ее положения значительно отличаются от положений механики классической. Всего за несколько десятилетий было обнаружено множество элементарных частиц, а их взаимодействие друг с другом легло в основу Стандартной модели. Запуск Большого адронного коллайдера (БАК) и последующее обнаружение «частицы Бога» – по-научному Бозон Хиггса – стало лишь началом в понимании нашего сложного мира. Каждый год ученые открывают новые частицы, параллельно пытаясь ответить на вопрос о том, почему мы существуем.
Частица за частицей
Одной из последних обнаруженных физиками частиц является тетракварк (подробнее про их открытие я рассказывала вот здесь). Если совсем кратко, то тетракварки представляют собой частицу экзотической материи, которая содержит два тяжелых кварка и два легких антикварка. Кварки, как, вероятно, помнит читатель, являются фундаментальными строительными блоками Вселенной, из которых состоит вся материя.
Кварки также являются частицами, из которых могут состоять адроны — первая группа элементарных частиц. До недавнего времени считалось, что нейтроны состоят из трех кварков, но новая частица адрона состоит из четырех. Исследователи отмечают, что тетракварк – самая долгоживущая частица из всех известных.
Тетракварки были обнаружены в 2020 году
Еще одной новинкой в нашем зоопарке оказались энионы. Это не просто новые частицы, они настолько необычны, что физики отнесли их к третьему царству элементарных частиц.
Критерий деления элементарных частиц на два царства – это значение спина, квантового числа, которое характеризует собственный момент импульса частицы. Иными словами, если спин отдельно взятой частицы определяется целым числом – перед вами бозон, а если полуцелым – фермион.
Теперь же утверждение о том, что каждая последняя частица во Вселенной – от космических лучей до кварков – является либо фермионом, либо бозоном, кажется, придется пересмотреть. Вот что говорит об этом Фрэнк Вильчек, лауреат Нобелевской премии по физике из Массачусетского технологического института: «Раньше у нас были бозоны и фермионы, а теперь у нас есть это третье царство элементарных частиц».
В ходе научного исследования ученые доказали, что энионы принадлежат к отдельному классу элементарных частиц.
В ходе недавнего исследования физикам наконец удалось доказать, что энионы ведут себя как нечто среднее между поведением бозонов и фермионов. Более того, их поведение в точности соответствует теоретическим предсказаниям.
Причем здесь гравитационные волны?
Итак, освежив в памяти Стандартную модель, которая объясняет как взаимодействуют невидимые глазу частицы создавая реальность, идем дальше: если взаимодействие элементарных частиц создает наш мир, то может ли физика объяснить наше существование?
Очень похоже на то. По крайней мере астрофизики полагают, что в начале Вселенной существовал дисбаланс между материей и антивеществом. И чтобы понять, откуда он взялся, ученые обратились к гравитационным волнам.
Гравитационные волны – это изменения гравитационного поля, распространяющиеся подобно волнам. Если совсем просто, то они искажают пространство-время. Подробнее о том, что такое гравитационные волны и когда и как их открыли читайте в увлекательном материале моего коллеги Артема Сутягина.
Гравитационные волны могут разрешить кризис космологии
Команда физиков-теоретиков, возглавляемая Грэмом Уайтом из Института физики и математики Вселенной Кавли, сосредоточилась на явлении, под названием Q-ball. Как и во многих концепциях теоретической физики, Q-ball относительно трудно объяснить.
Между тем, одна из самых больших космологических загадок заключается в том, почему Вселенная состоит из гораздо большего количества материи, чем антивещества. Совсем недавно команда физиков-теоретиков поняла, где искать ответ – необходимо обнаружить гравитационные волны, создаваемые причудливыми квантовыми объектами под названием Q-ball.
Не будем также забывать, что у каждого вида обычной частицы материи есть партнер из антивещества с противоположными характеристиками. Так что когда материя взаимодействует с антивеществом, они уничтожают друг друга. Именно этот факт и делает наше существование загадкой, поскольку космологи почти уверены, что на заре Вселенной было равное количество вещества и антивещества.
Гравитационные волны, зафиксированные детектором LIGO, произошли из-за столкновения черных дыр
Но если все эти партнеры по материи и антивеществу должны были уничтожить друг друга, Вселенная бы осталась без материи вообще. Но материя, как мы знаем, существует, и исследователи начинают постепенно понимать в чем весь сыр-бор.
Одна из потенциальных причин может заключаться в Q-ball-ах – теоретических «комках», которые образовались сразу после Большого взрыва, до того, как Вселенная начала расширяться. Эти объекты должны содержать свою собственную асимметрию материи и антивещества. Это означает, что внутри каждого Q-ball-а существуют неравные доли материи и антивещества.
И если бы Q—ball-ы высвободили больше материи, чем антивещества, то стали бы причиной гравитационной ряби в пространстве-времени. Согласно результатам нового исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters, в таком случае обнаружить Q-ball-ы можно было бы с помощью гравитационных волн. Но как?
Распад Q-ball – ключ к созданию гравитационных волн
По сути, Q-ball-ы – это скопления заряженных полей, которые превратились в комки и слиплись. Однажды склеенные, они, как правило, служат долго, пережив фоновое излучение, возникшее в результате расширения Вселенной. Но вот в них потенциально интересно, так это то, что происходит, когда Q-ball распадаются.
Распад Q-ball происходит быстро и яростно. Причем настолько, что они образуют гравитационные волны! Более того, эти события распада относительно распространены, и у ученых должны быть средства для их обнаружения. Обсерватории гравитационных волн, такие как LIGO, уже обнаружили гравитационные волны от других источников, сравнимые по силе и частоте с волнами, вызванными распадающимися Q-ball-ами.
Вероятно, скоро мы узнаем о Вселенной много нового
Отметим, что до сих пор не было обнаружено гравитационных волн, приписываемых распадам Q-ball-ов. Тем не менее, доктор Уайт и его коллеги с оптимизмом смотрят в ближайшее будущее:
Почти наверняка мы скоро обнаружим сигнал с начала времен, подтверждающий эту теорию о том, почему мы и остальной мир материи вообще существуем. Это захватывающее утверждение, и оно должно интересовать любого, кто кровно заинтересован в том, почему материя вообще существует, – пишут авторы научной работы.
Разобраться как устроен наш мир непросто, но, кажется, реально
И напоследок хочется напомнить – видимо в ближайшие годы нас ожидает огромное количество открытий. Ранее в этому году мы рассказывали о «новой силе природы» – ученые из ЦЕРН действительно стоят на пороге открытия «новой физики».
Так что ждем с нетерпением дальнейших исследований и стараемся разобраться в невероятно сложной для человеческого понимания физике строительных блоков нас самих и нашей Вселенной.
Квантовая теория материи
Вы будете перенаправлены на Автор24
Понятие “материя” начало зарождаться еще во времена античного мира на заре научной эпохи Древней Греции. Тогда известные мыслители пытались понять, из чего состоят все вещи вокруг нас. Они часто связывали понятие материи с тем нечто, что формирует весь объективный видимый мир. Они искали единое начало всего в бесконечном измерении всех вещей. Однако долгое время материи придавался довольно однообразный смысл, характеризующий определенными веществами.
Составными частями материи были вода, воздух, огонь, однако внутреннюю природу всех явлений так и не удавалось постичь. Спустя некоторое время с развитием науки и техники удалось сформировать первые принципы и понятия микромира и создать математически обоснованные модели. Так родилась квантовая теория материи.
Первые постулаты мир увидел в 19 веке, когда удалось сопоставить электромагнетизм и его влияние на все процессы во Вселенной. С этого момента материя стала рассматриваться не только как вещество, но и некая сила, основы которой не удается в полной мере разгадать исследователям до сих пор.
Изучение квантовой теории материи
Более ста лет назад с внедрением в язык ученых сложных понятий об атомной структуре всего живого в объективном мире, понятие материи немного начало преображаться и приобретать новый и более полный смысл. На современном этапе развития физики различие силы и вещества уже полностью исчезает, поскольку принято считать, что любое силовое поле уже содержит энергию и представляет собой часть материи. Силовым полям соответствует определенный вид элементарных частиц. В одной и той же реальности существует две формы проявления этой же реальности:
При изучении проблемы материи исследователь вначале должен познать о форме материи. Объектом исследования должны стать бесконечное многообразие и изменчивость форм материи. Затем все усилия могут быть брошены на сопоставление законов природы и найдены по окончания исследований единые принципы, на основе которых существует материя, как бесконечное поле для постоянных изучений. На современном этапе развития при изучении физики принято сконцентрироваться на анализе строения материи и определяющих это строение сил.
Готовые работы на аналогичную тему
Сегодня основным источником знаний в этой области стал экспериментальный метод. Впервые он был применен еще во времена Галилея. Теперь он распространен повсеместно и дает понять всем исследователь о природе существовании и развитии материи. Подобный метод позволил уйти от формирования исключительно теоретических представлений об окружающей действительности.
Специфические исследования в этой области позволяют выделить характерные процессы в природе. Таким образом, при изучении материи необходимо строгое проведение над ней экспериментов. Для этого обычно ставят материю в необычные для нее условия, а затем изучают ее превращение, происходящее в схожих обстоятельствах. Ученые подобным образом стремятся познать и определить фундаментальные черты материи, когда видят произошедшие изменения своими глазами.
Особое место в процессе изучения материи заняла химия. Исследователи в этой области могли рассмотреть и выделить все специфические свойства вещества, разложив его на отдельные части, а затем путем опытов прийти к определенным выводам и сформировать новые законы взаимодействия в пространстве между различными химическими соединениями. Так шаг за шагом могла формироваться полноценная квантовая теория материи. Тогда при определенных условиях специалисты не могли разложить различными веществами, имеющимися в лаборатории какую-либо субстанцию. Она получала название элемента, что легло в основу всего понимания по изучению строения материи.
Все многообразие веществ и элементом было постепенно сведено к конечному числу химических элементов, а затем все данные были структурированы. Через некоторое время слово «атом» стало применяться к мельчайшей единице материи, что входила в состав конкретного химического элемента. Так мельчайшей частицей железа стали просто обозначает атом железа, а в состав воды стали входить сразу несколько мельчайших элементов, что отражалось в соответствующих формулах строения химического элемента.
Важнейшей частью на пути к развитию квантовой теории материи стало открытие сохранения массы в происходящих химических процессах. Подобное открытие принесло понятию материи некий количественный смысл, поскольку она могла быть измерена ее массой, независимо от химических свойств изучаемого объекта.
За все время исследований в области химии были открыты более ста элементов и работа по их формированию до сих пор продолжается. Несмотря на это, полного понятия о физических и химических свойствах материи пока не найдено и эксперименты продолжаются.
Существует предположение, что подобных сочетаний материи очень много, и она не является однородным образованием. Между различными видами материи нет никаких видимых внешних и внутренних связей. Однако подобную теорию не могут разрешить на современном этапе развития исследований.
Ядерное строение атомов
Квант действия Планка
Квантовая теория тесно переплетается с другой универсальной постоянной природы. Ее называют планковским квантом действия. Известно, что объективное описание процессов, происходящих в пространстве и во времени становится возможным только тогда, когда ученые имеют дело с предметами и процессами сравнительно больших масштабов.
Тогда формируется постоянная величина, которую ввел в оборот при анализе исследований ученый Планк. Постоянную Планку принято рассматривать как бесконечно малую величину, удобную для различных вычислений и формирования математических моделей.
Квантовый мир: как связаны стерильные нейтрино и темная материя?
Самые распространенные частицы природы, за исключением фотонов (частиц света) – это нейтрино. Они не имеют заряда и исходят от Солнца, а также от сверхновых и других космических событий. Более того, около триллиона нейтрино прямо сейчас проходят через вашу руку! Ученые выделяют несколько типов или разновидностей нейтрино: электронные, мюонные и тау-нейтрино, а также надеются на существование четвертого типа – «стерильных нейтрино». Если они действительно существуют, то помогли бы разрешить несколько фундаментальных загадок в физике, например, почему нейтрино имеют массу, в то время как теории предсказывают, что массы у этих частиц быть не должно? Стерильные нейтрино также связывают с таинственный субстанцией, которая заполняет 85% наблюдаемой Вселенной – темной материей, пронизывающей космос. Наличие этих загадочных частиц предсказывали ранее проведенные эксперименты, но вот незадача: теория также предсказывает возможное существование не только «стерильных» нейтрино, но и множества других, дополнительных частиц. Эти нейтрино могли бы взаимодействовать друг с другом посредством своих собственных тайных сил где-то на задворках Вселенной. Но обо всем по порядку.
Квантовый мир скрывает множество тайн, крохотную часть из которых мы пытаемся постичь
Из чего состоит все вокруг?
С точки зрения физики мы состоим из кварков и лептонов. Как объясняет в своем видео для Пост-Науки доктор физико-математических наук Данилов Михаил Владимирович, нейтроны состоят из u-кварков и d-кварков и составляют атомные ядра. Из атомных ядер и электронов образуются атомы, которые затем объединяются в молекулы, образуя абсолютно все, что мы видим вокруг себя.
Согласитесь, довольно простая картина. Электроны в атомах удерживаются за счет электромагнитного взаимодействия, а его переносчик – фотоны. Кварки внутри протона и нейтрона удерживаются за счет сильного взаимодействия, переносчиками которого появляются глюоны.
Бозон Хиггса многое изменил в мире элементарных частиц
За счет сильного взаимодействия протоны и нейтроны удерживаются в ядре атома, а слабое взаимодействие ответственно за переход нейтрона в протон, электрон и антинейтрино. Тут, однако, необходимо отметить, что у каждой частицы есть своя античастица, которая отличается от частицы отрицательным зарядом, – отмечает Данилов.
Но несмотря на столь элегантную и простую на первый взгляд картину, природа не так проста. И доказательством тому служит существование еще одного набора кварков и лептонов, которые физики называют поколениями. Интересно, что эти частицы тяжелее обыкновенных кварков и лептонов, но вокруг нас их нет. Они возникают лишь в редких случаях.
Итак, что мы в итоге знаем о Вселенной?
В природе существуют кварки и лептоны. Кварки принимают участие в сильном взаимодействии, лептоны – нет.
По сути, эти крошечные частицы – фундамент всего, что мы видим. Обнаруженный в 2012 году Бозон Хиггса, кажется, завершил картину, так как именно он дает массу всем остальным частицам Стандартной модели. Подробнее о том, что такое Стандартная модель и как физики дробят материю на атомы, я рассказывала в этой статье, рекомендую к прочтению.
Загадочные нейтрино
Но вернемся к нейтрино. В 1990-х годах во время экспериментов по изучению этих таинственных частиц произошло нечто странное: в детекторе появилось слишком много частиц. В 2002 году ученые начали еще один эксперимент, чтобы выяснить, что произошло. Это испытание также показало удивительные результаты — но по-другому.
Нейтрино – это загадочные квантовые частицы, которые имеют массу, но очень малы и их трудно измерить. Они удивительны, потому что масса, которую они содержат, не учитывается в Стандартной модели, описывающей субатомный мир.
Эти избыточные частицы в ранних экспериментах взволновали ученых. Дело в том, что они выглядели как возможные признаки существования так называемых «стерильных нейтрино», мешающих нормальным нейтринным ароматам (как их поэтично называют физики): стерильные нейтрино взаимодействовали бы с другими частицами только с помощью гравитации, тогда как известные три аромата нейтрино – с помощью слабого взаимодействия.
Физики поэтично называют разные типа кварков ароматами
И все же они могут оказывать влияние на другие нейтрино из-за странного свойства, которым обладают все эти частицы: способности «колебаться» или менять аромат. Частица, например, электронное нейтрино, может превратиться в тау или мюонное нейтрино, и наоборот. Обычно это преобразование происходит, когда нейтрино преодолевают определенное расстояние, но, похоже, оно происходит быстрее в других экспериментах.
Однако в 2013 году существование стерильных нейтрино было поставлено под сомнение, поскольку исследования, проведенные в Институте Макса Планка в Германии по ранней вселенной, не обнаружили их следов, как, например, объясняет в этой связи журнал Quanta.
С тех пор появились предположения о возможности существования не одного стерильного, а множества дополнительных нейтрино, которые могли бы взаимодействовать друг с другом посредством своих собственных тайных сил в месте во Вселенной, которое мы до сих пор не знаем.
В поисках стерильного нейтрино
Детектор нейтрино LSND, расположенный в Национальной лаборатории Лос-Аламоса и мини-ускоритель нейтрино MiniBooNE в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Fermilab) позволили исследователям прийти к удивительным выводам.
Более двадцати лет физики ищут таинственное стерильное нейтрино
Интересный факт
Ранее считалось, что мюонные нейтрино могут превращаться в стерильные нейтрино, а затем в электронные нейтрино – этот процесс может происходить быстрее, чем простое переключение мюонного аромата на электронный.
В своих экспериментах физики генерируют поток мюонных нейтрино и направляют их на детектор, расположенный на расстоянии 470 метров. Детектор – гигантский резервуар, заполненный 170 метрическими тоннами чистого жидкого аргона – ждет, чтобы поймать нейтрино в момент столкновения с ядром одного из атомов аргона. Такие столкновения крайне редки, и единственными их признаками являются вторичные частицы, образующиеся в результате взаимодействия.
Как пишет Scientific American, ученые объявили о результатах, полученных с помощью детектора MicroBooNE 27 октября, заявив, что не увидели никаких признаков, свидетельствующих о наличии дополнительных частиц.
Да, это немного странно, – говорит представитель MicroBooNE Бонни Флеминг из Йельского университета. «В более ранних экспериментах наблюдались дополнительные частицы, похожие на электроны или фотоны», – отмечает он.
Детектор элементарных частиц MicroBooNE
Однако MicroBooNE может гораздо точнее определить направление движения частиц и энергию, которую выделяют частицы. Это означает, что физики могут решить, является ли что-то электроном или фотоном. Настоящий триумф эксперимента заключается в том, что технология работает настолько хорошо.
Тем не менее, исследователи практически уверены в том, что там, где они искали, нет лишних электронов или фотонов, что ослабляет надежды на обнаружение стерильных нейтрино. Если бы мюонные нейтрино могли быстро превращаться в стерильные нейтрино, а затем в электронные нейтрино, электроны появились бы в детекторе.
Детектор находится недостаточно далеко от своего источника, чтобы возникло обычное колебание мюонного нейтрино в электронное нейтрино
Но если нет лишних электронов или фотонов, то что это за избыточные частицы, которые были зарегистрированы LSND и MiniBooNE? Один из вариантов ответа заключается в том, что необъяснимые столкновения нейтрино на самом деле не происходили ни в одном из предыдущих экспериментов и что в случае с MiniBooNE исследователи просто пропустили некоторые помехи внутри детектора в ходе эксперимента.
Детектор находится недостаточно далеко от своего источника, чтобы возникло обычное колебание мюонного нейтрино в электронное нейтрино.
Другие соглашаются. «Очень маловероятно, что в детекторе произошла какая-то ошибка», – рассказал журналистам физик-теоретик Северо-Западного университета Андре де Гувеа. Должен быть новый источник либо электронов, либо фотонов, либо чего-то похожего на электроны или фотоны. Возможно, говорит он, происходит что-то более сложное.
Эти частицы могут распадаться на другие — например, на обычное нейтрино и нечто экзотическое, например «темный фотон» (двоюродный брат обычных фотонов, физики предполагают его существование, однако никаких доказательств их существования на сегодняшний день нет).
Причем здесь темная материя?
И все же, стерильные нейтрино остаются привлекательной перспективой для физиков. Они, вероятно, являются побочным продуктом теорий, пытающихся объяснить, почему нейтрино вообще имеют массу. Более того, эти таинственные частицы могут помочь объяснить, что такое темная материя.
Дело в том, что некоторые виды стерильных нейтрино сами могут быть кандидатами на темную материю, или же быть частью «темного сектора», в котором частица темной материи оказывается связана со стерильными нейтрино или распадается на них. И выяснение того, что происходит в этих экспериментах с нейтрино, может стать первым шагом к ответу на эти более масштабные вопросы.
Это действительно интересно, потому что все очевидные возможности уже проверены, – считают исследователи.
Так как темная материя не вступает в электромагнитное взаимодействие с фотонами света, наблюдать ее непосредственно невозможно
Как предложил Джанет Конрад, физик из Массачусетского технологического института (MIT), и Карлос Аргуэльес-Дельгадо, физик из Гарвардского университета, стерильные нейтрино могут распадаться на набор невидимых частиц: они подтвердили бы существование темного сектора, выведенного в качестве альтернативы невозможности обнаружения «неповрежденных» стерильных нейтрино.
Напомню, что темная материя не состоит из обычных частиц, таких как электроны, протоны или электроны, поэтому считается, что она должна состоять из частицы, не распознаваемой Стандартной моделью.
Исторически стерильные нейтрино были кандидатами для объяснения состава темной материи, поэтому проверка того, что они доминируют в темном секторе с помощью невидимых частиц, которые являются их прямыми потомками, также объяснило бы, почему Вселенная находится в постоянном расширении.
Возможно, ученые вскоре обнаружит нечто такое, что навсегда изменит современную физику
Словом, хорошо то, что у нас есть инструменты для дальнейшего изучения этого вопроса так что, надеемся, что ученые докопаются до сути. Поиск стерильных нейтрино продолжается, следите за новостями и подписывайтесь на наш канал в Telegram, так вы точно не пропустите ничего интересного!
Новости, статьи и анонсы публикаций
Свободное общение и обсуждение материалов
Основы физики предполагают, что электроны практически бессмертны. Но недавно был проведен замечательный эксперимент, которому удалось опровергнуть это фундам…
Физики говорят, что нашли доказательства существования неуловимой элементарной частицы аксион, которая может входить в состав загадочной темной материи. Иссл…
Ученые использовали искусственный атом, чтобы показать возможность сохранения кота Шредингера в живом состоянии в течение неопределенного срока, а также уско…