บทเรียนที่ 67

หัวข้อบทเรียน: ปัญหาอนุภาคมูลฐาน

วัตถุประสงค์ของบทเรียน:

เกี่ยวกับการศึกษา:เพื่อแนะนำนักเรียนให้รู้จักกับแนวคิดเรื่องอนุภาคมูลฐานด้วยการจำแนกอนุภาคมูลฐาน เพื่อสรุปและรวบรวมความรู้เกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ประเภทพื้นฐาน เพื่อสร้างโลกทัศน์ทางวิทยาศาสตร์

เกี่ยวกับการศึกษา:เพื่อสร้างความสนใจทางปัญญาในวิชาฟิสิกส์ ปลูกฝังความรักและความเคารพต่อความสำเร็จของวิทยาศาสตร์

เกี่ยวกับการศึกษา:การพัฒนาความอยากรู้อยากเห็นความสามารถในการวิเคราะห์การกำหนดข้อสรุปอย่างอิสระการพัฒนาคำพูดและการคิด

อุปกรณ์:ไวท์บอร์ดแบบโต้ตอบ (หรือโปรเจ็กเตอร์พร้อมหน้าจอ)

ประเภทบทเรียน:การเรียนรู้เนื้อหาใหม่

ประเภทบทเรียน:การบรรยาย

ระหว่างเรียน:

เวทีองค์กร

กำลังศึกษาหัวข้อใหม่

โดยธรรมชาติแล้ว ปฏิกิริยาพื้นฐาน (พื้นฐาน) มี 4 ประเภท ได้แก่ แรงโน้มถ่วง แม่เหล็กไฟฟ้า แรง และอ่อน ตามแนวคิดสมัยใหม่ ปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุจะดำเนินการผ่านทุ่งนาที่อยู่รอบๆ วัตถุเหล่านี้ สนามข้อมูลในทฤษฎีควอนตัมเป็นที่เข้าใจกันว่าเป็นกลุ่มของควอนตัม อันตรกิริยาแต่ละประเภทมีตัวพาอันตรกิริยาของตัวเอง และขึ้นอยู่กับการดูดกลืนและการปล่อยควอนตาแสงที่สอดคล้องกันโดยอนุภาค

การโต้ตอบอาจเป็นระยะไกล (แสดงออกมาในระยะทางที่ไกลมาก) และในระยะสั้น (แสดงออกมาในระยะทางที่สั้นมาก)

ปฏิกิริยาโน้มถ่วงเกิดขึ้นจากการแลกเปลี่ยนกราวิตอน ไม่ได้รับการตรวจพบโดยการทดลอง ตามกฎหมายที่ค้นพบในปี 1687 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษผู้ยิ่งใหญ่ ไอแซก นิวตัน วัตถุทั้งหมดโดยไม่คำนึงถึงรูปร่างและขนาดจะดึงดูดซึ่งกันและกันด้วยแรงที่เป็นสัดส่วนโดยตรงกับมวลของพวกมันและแปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างพวกมัน ปฏิสัมพันธ์ของแรงโน้มถ่วงจะนำไปสู่การดึงดูดของร่างกายเสมอ

ปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้านั้นมีระยะไกล ปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าอาจส่งผลให้เกิดแรงดึงดูดและแรงผลักต่างจากปฏิกิริยาแรงโน้มถ่วง พาหะของปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าคือควอนตัมของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า - โฟตอน อันเป็นผลมาจากการแลกเปลี่ยนอนุภาคเหล่านี้ ปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้นระหว่างวัตถุที่มีประจุ

การโต้ตอบที่รุนแรงคือปฏิสัมพันธ์ที่ทรงพลังที่สุด มันเป็นพิสัยสั้น แรงที่สอดคล้องกันจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อระยะห่างระหว่างพวกมันเพิ่มขึ้น รัศมีการออกฤทธิ์ของแรงนิวเคลียร์คือ 10 -13 ซม

ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอเกิดขึ้นในระยะทางที่สั้นมาก ระยะของการกระทำนั้นน้อยกว่าพลังนิวเคลียร์ประมาณ 1,000 เท่า

การค้นพบกัมมันตภาพรังสีและผลการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ดแสดงให้เห็นอย่างน่าเชื่อว่าอะตอมประกอบด้วยอนุภาค พบว่าประกอบด้วยอิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน ในตอนแรก อนุภาคที่ใช้สร้างอะตอมนั้นถือว่าแบ่งแยกไม่ได้ นั่นเป็นสาเหตุว่าทำไมพวกมันถึงถูกเรียกว่าอนุภาคมูลฐาน แนวคิดเรื่องโครงสร้างโลกที่ "เรียบง่าย" ถูกทำลายลงเมื่อในปี พ.ศ. 2475 มีการค้นพบปฏิปักษ์ของอิเล็กตรอนซึ่งเป็นอนุภาคที่มีมวลเท่ากับอิเล็กตรอน แต่แตกต่างจากมันในสัญลักษณ์ของประจุไฟฟ้า อนุภาคที่มีประจุบวกนี้เรียกว่าโพซิตรอน... ตามแนวคิดสมัยใหม่ ทุกอนุภาคมีปฏิภาค อนุภาคและปฏิอนุภาคมีมวลเท่ากัน แต่มีสัญญาณตรงกันข้ามกับประจุทั้งหมด หากปฏิปักษ์เกิดขึ้นพร้อมกับตัวอนุภาคเอง อนุภาคดังกล่าวจะถูกเรียกว่าเป็นกลางอย่างแท้จริง โดยมีประจุเป็น 0 ตัวอย่างเช่น โฟตอน เมื่ออนุภาคและปฏิอนุภาคชนกัน พวกมันจะทำลายล้าง นั่นคือ พวกมันหายไป และกลายเป็นอนุภาคอื่น (บ่อยครั้งอนุภาคเหล่านี้เป็นโฟตอน)

อนุภาคมูลฐานทั้งหมด (ซึ่งไม่สามารถแบ่งออกเป็นส่วนประกอบได้) แบ่งออกเป็น 2 กลุ่ม: พื้นฐาน (อนุภาคไม่มีโครงสร้าง อนุภาคพื้นฐานทั้งหมดในขั้นตอนการพัฒนาฟิสิกส์นี้ถือว่าไม่มีโครงสร้าง กล่าวคือ พวกมันไม่ประกอบด้วยอนุภาคอื่น) และแฮดรอน ( อนุภาคที่มีโครงสร้างซับซ้อน)

ในทางกลับกัน อนุภาคพื้นฐานจะถูกแบ่งออกเป็นเลปตัน ควาร์ก และพาหะของปฏิกิริยา ฮาดรอนแบ่งออกเป็นแบริออนและมีซอน เลปตันประกอบด้วยอิเล็กตรอน โพซิตรอน มิวออน เทาออน และนิวตริโนสามชนิด

ควาร์กเป็นอนุภาคที่ประกอบเป็นฮาดรอนทั้งหมด มีส่วนร่วมในการโต้ตอบที่รุนแรง

ตามแนวคิดสมัยใหม่ แต่ละปฏิกิริยาเกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากการแลกเปลี่ยนอนุภาค เรียกว่าพาหะของปฏิกิริยานี้: โฟตอน (อนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า) กลูออนแปดตัว (อนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์รุนแรง) สามตัวกลาง โบซอนเวกเตอร์ ว + , ว- และ ซี 0 ซึ่งมีปฏิสัมพันธ์แบบอ่อน Graviton (พาหะของปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วง) การมีอยู่ของกราวิตอนยังไม่ได้รับการพิสูจน์ด้วยการทดลอง

Hadrons มีส่วนร่วมในการโต้ตอบขั้นพื้นฐานทุกประเภท พวกมันประกอบด้วยควาร์กและแบ่งออกเป็น: แบริออนที่ประกอบด้วยควาร์กสามตัว และมีซอนที่ประกอบด้วยควาร์กสองตัว หนึ่งในนั้นคือแอนติควาร์ก

ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งที่สุดคือปฏิสัมพันธ์ระหว่างควาร์ก โปรตอนประกอบด้วยยูควาร์ก 2 ตัว ควาร์ก 1 ตัว นิวตรอนประกอบด้วยยูควาร์ก 1 ตัว และควาร์ก 2 ตัว ปรากฎว่าในระยะทางสั้น ๆ ไม่มีควาร์กตัวใดสังเกตเห็นเพื่อนบ้านของพวกมัน และพวกมันก็มีพฤติกรรมเหมือนอนุภาคอิสระที่ไม่มีปฏิกิริยาต่อกัน เมื่อควาร์กเคลื่อนตัวออกจากกัน แรงดึงดูดระหว่างพวกมันจะเกิดขึ้น ซึ่งจะเพิ่มขึ้นตามระยะทางที่เพิ่มมากขึ้น การแยกฮาดรอนออกเป็นควาร์กแยกเดี่ยวจะต้องใช้พลังงานจำนวนมาก เนื่องจากไม่มีพลังงานดังกล่าว ควาร์กจึงกลายเป็นนักโทษชั่วนิรันดร์และยังคงถูกขังอยู่ในฮาดรอนตลอดไป ควาร์กถูกกักไว้ภายในฮาดรอนข้างสนามกลูออน

สาม. การรวมบัญชี

ตัวเลือกที่ 1.

ตัวเลือกที่ 2

3.. นิวตรอนอาศัยอยู่นอกนิวเคลียสของอะตอมได้นานแค่ไหน? ก. 12 นาที ข. 15 นาที

สรุปบทเรียนในระหว่างบทเรียนเราได้ทำความคุ้นเคยกับอนุภาคของโลกใบเล็กและพบว่าอนุภาคใดเรียกว่าระดับประถมศึกษา

ดี/แซด§ 9.3

ชื่ออนุภาค มวล (ในมวลอิเล็กทรอนิกส์) ค่าไฟฟ้า เวลาชีวิต (s) ต่อต้านอนุภาค มั่นคง นิวตริโนอิเล็กตรอน มั่นคง นิวตริโนมิวออน มั่นคง อิเล็กตรอน มั่นคง ไพ มีซอนส์ ≈ 10 –10 –10 –8 เอต้า-null-มีซอน มั่นคง แลมบ์ดาไฮเปอร์รอน ซิกมา ไฮเปอร์รอน ซี-ไฮเปอร์รอน โอเมก้าลบไฮเปอร์รอน

สาม. การรวมบัญชี

ตั้งชื่อปฏิสัมพันธ์หลักที่มีอยู่ในธรรมชาติ

ความแตกต่างระหว่างอนุภาคและปฏิอนุภาคคืออะไร? พวกเขามีอะไรเหมือนกัน?

อนุภาคใดมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาระหว่างแรงโน้มถ่วง แม่เหล็กไฟฟ้า แรง และอ่อน

ตัวเลือกที่ 1.

1. คุณสมบัติประการหนึ่งของอนุภาคมูลฐานคือความสามารถ…… ก. แปลงร่างกัน ข. เปลี่ยนแปลงได้เอง

2. อนุภาคที่สามารถดำรงอยู่ในสถานะอิสระได้ไม่จำกัดเวลา เรียกว่า..... ก. ไม่เสถียร ข. เสถียร

3. อนุภาคใดมีความเสถียร? ก. โปรตอน บี. มีสัน

4. อนุภาคที่มีอายุยืนยาว ก. นิวตริโน ข. นิวตรอน

5. นิวตริโนเกิดจากการสลายตัวของ..... ก. อิเล็กตรอน บี นิวตรอน

ตัวเลือกที่ 2

ปัจจัยหลักในการดำรงอยู่ของอนุภาคมูลฐานคืออะไร?

ก. การรุกล้ำซึ่งกันและกัน ข. การเปลี่ยนแปลงซึ่งกันและกัน

2. อนุภาคมูลฐานใดที่ไม่แยกออกเป็นอนุภาคอิสระ ก. ไพออน ข. ควาร์ก

3. นิวตรอนอาศัยอยู่นอกนิวเคลียสของอะตอมได้นานแค่ไหน? ก. 12 นาที ข. 15 นาที

อนุภาคใดไม่เสถียร? ก. โฟตอน ข. เลปตัน

มีอนุภาคที่ไม่เปลี่ยนรูปในธรรมชาติหรือไม่? ก. ใช่ ข. ไม่ใช่

อริสโตเติลเชื่อว่าสสารในจักรวาลประกอบด้วยองค์ประกอบพื้นฐานสี่องค์ประกอบ ได้แก่ ดิน อากาศ ไฟ และน้ำ ซึ่งถูกกระทำโดยสองแรง: แรงโน้มถ่วงซึ่งดึงโลกและน้ำลงมา และพลังแห่งความสว่างภายใต้อิทธิพล ซึ่งไฟและลมมีแนวโน้มสูงขึ้น แนวทางโครงสร้างของจักรวาลเมื่อทุกสิ่งถูกแบ่งออกเป็นสสารและพลังยังคงดำเนินต่อไปจนถึงทุกวันนี้

ตามความเห็นของอริสโตเติล สสารมีความต่อเนื่อง กล่าวคือ สสารใดๆ สามารถถูกบดขยี้เป็นชิ้นเล็กลงเรื่อยๆ อย่างไม่สิ้นสุด โดยไม่มีวันถึงเม็ดเล็กๆ ที่ไม่สามารถแบ่งออกได้อีกต่อไป อย่างไรก็ตาม นักปรัชญาชาวกรีกบางคน เช่น เดโมคริตุส มีความเห็นว่าสสารมีลักษณะเป็นเม็ดเล็กๆ และทุกสิ่งในโลกนี้ประกอบด้วยอะตอมที่แตกต่างกันจำนวนมาก (คำภาษากรีก "อะตอม" แปลว่าแบ่งแยกไม่ได้) หลายศตวรรษผ่านไป แต่ข้อพิพาทยังคงดำเนินต่อไปโดยไม่มีหลักฐานจริงใด ๆ ที่จะยืนยันความถูกต้องของฝ่ายใดฝ่ายหนึ่ง ในที่สุด ในปี 1803 นักเคมีและนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ จอห์น ดาลตัน แสดงให้เห็นว่าความจริงที่ว่าสารเคมีมักจะรวมกันในสัดส่วนที่แน่นอนสามารถอธิบายได้โดยสมมติว่าอะตอมรวมกันเป็นกลุ่มที่เรียกว่าโมเลกุล อย่างไรก็ตาม จนถึงต้นศตวรรษของเรา ข้อพิพาทระหว่างทั้งสองโรงเรียนไม่เคยได้รับการแก้ไขเพื่อประโยชน์ของอะตอมมิก ไอน์สไตน์มีส่วนสำคัญมากในการแก้ไขข้อพิพาทนี้ ในบทความที่เขียนเมื่อปี 1905 ไม่กี่สัปดาห์ก่อนบทความชื่อดังของเขาเกี่ยวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ไอน์สไตน์ชี้ให้เห็นว่าปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน ซึ่งเป็นการเคลื่อนไหวที่ไม่ปกติและวุ่นวายของอนุภาคเล็กๆ ที่แขวนลอยอยู่ในน้ำ สามารถอธิบายได้โดยการกระแทกของอะตอมของของเหลวเกี่ยวกับ อนุภาคเหล่านี้

เมื่อถึงเวลานั้น มีเหตุผลบางอย่างที่ทำให้คิดว่าอะตอมก็แบ่งแยกไม่ได้เช่นกัน ไม่กี่ปีก่อนหน้านี้ เจ.เจ. ทอมสัน จากวิทยาลัยทรินิตี้ เมืองเคมบริดจ์ ได้ค้นพบอนุภาคใหม่ของสสาร ซึ่งก็คืออิเล็กตรอน ซึ่งมีมวลน้อยกว่าหนึ่งในพันของมวลอะตอมที่เบาที่สุด การทดลองของทอมสันก็เหมือนกับหลอดภาพโทรทัศน์สมัยใหม่เล็กน้อย ด้ายโลหะร้อนแดงทำหน้าที่เป็นแหล่งของอิเล็กตรอน เนื่องจากอิเล็กตรอนมีประจุลบ พวกมันจึงถูกเร่งในสนามไฟฟ้าและเคลื่อนไปทางตะแกรงที่ปกคลุมไปด้วยชั้นฟอสเฟอร์ เมื่ออิเล็กตรอนชนหน้าจอ แสงวูบวาบก็ปรากฏขึ้นบนจอ ในไม่ช้าก็ชัดเจนว่าอิเล็กตรอนเหล่านี้จะต้องบินออกจากอะตอม และในปี 1911 นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ Ernst Rutherford ได้พิสูจน์ในที่สุดว่าอะตอมของสสารมีโครงสร้างภายในจริง ๆ พวกมันประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีประจุบวกขนาดเล็กและอิเล็กตรอนหมุนรอบมัน รัทเทอร์ฟอร์ดได้ข้อสรุปนี้โดยการศึกษาว่าอนุภาคแอลฟา (อนุภาคที่มีประจุบวกที่ปล่อยออกมาจากอะตอมกัมมันตภาพรังสี) ถูกเบี่ยงเบนไปเมื่อชนกับอะตอมอย่างไร

ในตอนแรกคิดว่านิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยอิเล็กตรอนและอนุภาคที่มีประจุบวกซึ่งเรียกว่าโปรตอน (จากคำภาษากรีก "โปรโตส" - ปฐมภูมิ) เนื่องจากโปรตอนถือเป็นบล็อกพื้นฐานของสสารที่ประกอบขึ้น . อย่างไรก็ตามในปี 1932 James Chadwick เพื่อนร่วมงานของ Rutherford ที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ค้นพบว่ามีอนุภาคอื่นในนิวเคลียส - นิวตรอน ซึ่งมีมวลเกือบเท่ากับมวลของโปรตอน แต่ไม่มีประจุ สำหรับการค้นพบนี้ แชดวิกได้รับรางวัลโนเบลและได้รับเลือกให้เป็นหัวหน้าวิทยาลัยคอนวิลล์และไกอัส มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ (วิทยาลัยที่ฉันทำงานอยู่ในปัจจุบัน) จากนั้นเขาก็ต้องลาออกจากตำแหน่งนี้เนื่องจากไม่เห็นด้วยกับพนักงาน วิทยาลัยตกเป็นประเด็นแห่งความขัดแย้งอันขมขื่นอย่างต่อเนื่องนับตั้งแต่หลังสงคราม กลุ่มเยาวชนที่กลับมาลงคะแนนเสียงไม่รักษาเจ้าหน้าที่เก่าไว้ในตำแหน่งที่พวกเขาดำรงตำแหน่งมาหลายปีแล้ว ทั้งหมดนี้เกิดขึ้นต่อหน้าข้าพเจ้า ฉันเริ่มทำงานที่วิทยาลัยแห่งนี้ในปี 1965 และเห็นจุดสิ้นสุดของการต่อสู้เมื่อเนวิลล์ มอตต์ หัวหน้าอีกคนของวิทยาลัย ผู้ได้รับรางวัลโนเบล ถูกบังคับให้ลาออกเช่นกัน

เมื่อยี่สิบปีที่แล้ว โปรตอนและนิวตรอนถือเป็นอนุภาค "เบื้องต้น" แต่การทดลองเกี่ยวกับอันตรกิริยาของโปรตอนและอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงกับโปรตอนแสดงให้เห็นว่า จริงๆ แล้วโปรตอนประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กกว่าด้วยซ้ำ เมอร์เรย์ เกล-มานน์ นักทฤษฎีจากสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย เรียกอนุภาคเหล่านี้ว่าควาร์ก ในปี 1969 Gell-Mann ได้รับรางวัลโนเบลจากการวิจัยเกี่ยวกับควาร์ก ชื่อ "ควาร์ก" มาจากแนวบทกวีอันชาญฉลาดของเจมส์ จอยซ์: "สามควาร์กสำหรับอาจารย์มาร์ค!" คำว่าควาร์กควรจะออกเสียงเหมือนควอร์ต โดยที่ตัว t ต่อท้ายจะถูกแทนที่ด้วย k แต่ปกติแล้วจะออกเสียงเพื่อให้คล้องกับเสียงสนุกสนาน

รู้จักควาร์กหลายประเภท โดยเชื่อกันว่ามี "รสชาติ" อย่างน้อยหกชนิด ซึ่งสอดคล้องกับยู-ควาร์ก ดี-ควาร์ก ควาร์กแปลก ๆ ควาร์กชาร์ม บี-ควาร์ก และที-ควาร์ก ควาร์กของแต่ละ “รสชาติ” อาจมี “สี” ได้สามสี ได้แก่ แดง เขียว และน้ำเงิน (ควรเน้นย้ำว่าสิ่งเหล่านี้เป็นเพียงสัญกรณ์เนื่องจากขนาดของควาร์กมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นได้มากดังนั้นจึงไม่มีสีในความหมายปกติของคำ ประเด็นก็คือนักฟิสิกส์สมัยใหม่ชอบที่จะมา พร้อมชื่ออนุภาคและปรากฏการณ์ใหม่ๆ โดยไม่จำกัดจินตนาการในอักษรกรีกอีกต่อไป) โปรตอนและนิวตรอนประกอบด้วยควาร์กสามตัวที่มี “สี” ต่างกัน โปรตอนประกอบด้วยยูควาร์ก 2 ตัว และ d-ควาร์ก 1 ตัว นิวตรอนประกอบด้วย d-ควาร์ก 2 ตัว และยูควาร์ก 1 ตัว อนุภาคสามารถสร้างได้จากควาร์กอื่นๆ (แปลก, ชาร์ม, b และ t) แต่ควาร์กทั้งหมดนี้มีมวลมากกว่ามากและสลายตัวเป็นโปรตอนและนิวตรอนอย่างรวดเร็ว

เรารู้อยู่แล้วว่าทั้งอะตอม โปรตอน และนิวตรอนภายในอะตอมไม่สามารถแบ่งแยกได้ ดังนั้นจึงเกิดคำถามขึ้นว่า อนุภาคมูลฐานที่แท้จริงคืออะไร - อิฐเริ่มต้นที่ทุกสิ่งประกอบด้วยอยู่? เนื่องจากความยาวคลื่นของแสงมีขนาดใหญ่กว่าขนาดของอะตอมอย่างมาก เราจึงไม่มีความหวังว่าจะ "มองเห็น" ส่วนประกอบของอะตอมในลักษณะปกติ เพื่อจุดประสงค์นี้ จำเป็นต้องใช้ความยาวคลื่นที่สั้นกว่ามาก ในบทที่แล้ว เราได้เรียนรู้ว่าตามกลศาสตร์ควอนตัม อนุภาคทั้งหมดเป็นคลื่นจริงๆ และยิ่งพลังงานของอนุภาคสูงเท่าใด ความยาวคลื่นที่สอดคล้องกันก็จะสั้นลงเท่านั้น ดังนั้น คำตอบของเราสำหรับคำถามนี้จึงขึ้นอยู่กับพลังงานของอนุภาคที่เรากำจัดออกไปนั้นสูงแค่ไหน เนื่องจากเป็นตัวกำหนดว่าสเกลของความยาวที่เราจะสังเกตได้นั้นเล็กเพียงใด หน่วยที่มักจะวัดพลังงานของอนุภาคเรียกว่าอิเล็กตรอนโวลต์ (ในการทดลองของเขา ทอมสันใช้สนามไฟฟ้าเพื่อเร่งอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนโวลต์คือพลังงานที่อิเล็กตรอนได้รับในสนามไฟฟ้าขนาด 1 โวลต์) ในศตวรรษที่ 19 เมื่อพวกเขาสามารถใช้อนุภาคที่มีพลังงานของอิเล็กตรอนโวลต์หลายตัวที่ปล่อยออกมาในปฏิกิริยาเคมี เช่น การเผาไหม้ อะตอมจึงถือเป็นส่วนที่เล็กที่สุดของสสาร ในการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด พลังงานของอนุภาคอัลฟามีค่าเท่ากับอิเล็กตรอนโวลต์หลายล้านตัว จากนั้นเราเรียนรู้โดยใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้า เพื่อเร่งอนุภาค เริ่มจากพลังงานนับล้าน และจากนั้นจึงเปลี่ยนเป็นอิเล็กตรอนโวลต์หลายพันล้าน นี่คือวิธีที่เราเรียนรู้ว่าอนุภาคที่คิดว่าเป็นประถมศึกษาเมื่อ 20 ปีก่อนนั้นจริงๆ แล้วประกอบด้วยอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่า จะเกิดอะไรขึ้นถ้าในระหว่างการเปลี่ยนไปสู่พลังงานที่สูงขึ้น ปรากฎว่าอนุภาคขนาดเล็กเหล่านี้กลับประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กกว่าด้วยซ้ำ? แน่นอนว่านี่เป็นสถานการณ์ที่น่าเป็นไปได้โดยสิ้นเชิง แต่ตอนนี้เรามีเหตุผลทางทฤษฎีบางประการที่ทำให้เชื่อได้ว่าเรามีข้อมูลเกี่ยวกับ "อิฐ" ในยุคแรกเริ่มที่ใช้สร้างทุกสิ่งในธรรมชาติแล้วหรือเกือบจะมีแล้ว

ทุกสิ่งที่มีอยู่ในจักรวาลรวมทั้งแสงและแรงโน้มถ่วงสามารถอธิบายได้ตามแนวคิดเรื่องอนุภาคโดยคำนึงถึงทวินิยมของอนุภาคและคลื่นที่เราได้กล่าวถึงในบทที่แล้ว อนุภาคมีลักษณะการหมุนที่แน่นอน - การหมุน

ลองจินตนาการถึงอนุภาคที่อยู่ในรูปยอดเล็กๆ ที่หมุนรอบแกนของมัน จริงอยู่ รูปภาพดังกล่าวอาจทำให้เข้าใจผิดได้ เนื่องจากในกลศาสตร์ควอนตัม อนุภาคไม่มีแกนการหมุนที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน ที่จริงแล้ว การหมุนของอนุภาคบอกเราว่าอนุภาคนั้นมีลักษณะอย่างไรเมื่อมองจากมุมที่ต่างกัน อนุภาคที่มีการหมุน 0 ก็เหมือนกับจุด: มีลักษณะเหมือนกันทุกด้าน (รูปที่ 5.1, I) อนุภาคที่มีการหมุน 1 สามารถเปรียบเทียบได้กับลูกศร: มันดูแตกต่างจากด้านที่ต่างกัน (รูปที่ 5.1, II) และจะอยู่ในรูปแบบเดียวกันหลังจากหมุนเต็ม 360 องศาเท่านั้น อนุภาคที่มีการหมุน 2 สามารถเปรียบเทียบได้กับลูกศรที่ลับทั้งสองด้าน: ตำแหน่งใดๆ ของอนุภาคจะถูกทำซ้ำหลังจากหมุนไปครึ่งทาง (180 องศา) ในทำนองเดียวกัน อนุภาคที่มีการหมุนรอบสูงกว่าจะกลับสู่สถานะเดิมเมื่อหมุนด้วยเศษส่วนที่น้อยกว่าของการหมุนเต็มรอบ ทั้งหมดนี้ค่อนข้างชัดเจน แต่สิ่งที่น่าประหลาดใจคือมีอนุภาคที่หลังจากการหมุนเต็มรอบแล้ว ไม่อยู่ในรูปแบบเดิม พวกมันจะต้องหมุนจนหมดสองครั้ง! ว่ากันว่าอนุภาคดังกล่าวมีการหมุน 1/2

อนุภาคที่รู้จักทั้งหมดในจักรวาลสามารถแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม: อนุภาคที่มีการหมุน 1/2 ซึ่งสร้างสสารในจักรวาล และอนุภาคที่มีการหมุน 0, 1 และ 2 ซึ่งดังที่เราจะเห็นจะสร้างแรงที่ทำหน้าที่ระหว่าง อนุภาคของสสาร อนุภาคของสสารเป็นไปตามหลักการกีดกันของเพาลี ซึ่งค้นพบในปี 1925 โดยนักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย โวล์ฟกัง เพาลี ในปี 1945 เปาลีได้รับรางวัลโนเบลจากการค้นพบของเขา เขาเป็นตัวอย่างในอุดมคติของนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี พวกเขากล่าวว่าการมีอยู่ของเขาในเมืองขัดขวางความก้าวหน้าของการทดลองทั้งหมด! หลักการของเพาลีระบุว่าอนุภาคที่เหมือนกันสองตัวไม่สามารถอยู่ในสถานะเดียวกันได้ กล่าวคือ อนุภาคทั้งสองไม่สามารถมีพิกัดและความเร็วเท่ากันได้โดยมีความแม่นยำที่ระบุโดยหลักการความไม่แน่นอน หลักการของเพาลีมีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากทำให้สามารถอธิบายได้ว่าทำไมภายใต้อิทธิพลของแรงที่สร้างขึ้นโดยอนุภาคที่มีการหมุน 0, 1, 2 อนุภาคของสสารจึงไม่ยุบตัวเป็นสถานะที่มีความหนาแน่นสูงมาก: ถ้าอนุภาคของ สสารมีค่าพิกัดที่ใกล้เคียงกันมาก ดังนั้น ความเร็วของพวกมันจะต้องแตกต่างกัน ดังนั้น พวกมันจะไม่สามารถอยู่ที่จุดที่มีพิกัดเหล่านี้ได้เป็นเวลานาน หากหลักการของเพาลีไม่ได้มีส่วนร่วมในการสร้างโลก ควาร์กก็ไม่สามารถรวมกันเป็นอนุภาคเดี่ยวๆ ที่มีการกำหนดไว้ชัดเจนได้ เช่น โปรตอนและนิวตรอน ซึ่งในทางกลับกันก็ไม่สามารถรวมกับอิเล็กตรอนเพื่อสร้างอะตอมที่มีการกำหนดไว้อย่างชัดเจนแต่ละอะตอมได้ หากไม่มีหลักการของเพาลี อนุภาคทั้งหมดเหล่านี้จะยุบตัวและกลายเป็น "เยลลี่" ที่มีเนื้อเดียวกันและมีความหนาแน่นไม่มากก็น้อย

ไม่มีความเข้าใจที่ถูกต้องเกี่ยวกับอิเล็กตรอนและอนุภาคสปิน 1/2 อื่นๆ จนกระทั่งปี 1928 เมื่อพอล ดิแรกเสนอทฤษฎีเพื่ออธิบายอนุภาคเหล่านี้ ต่อมา Dirac ได้รับตำแหน่งประธานสาขาคณิตศาสตร์ที่ Cambridge (ซึ่งนิวตันเคยดำรงตำแหน่งและตอนนี้ข้าพเจ้าดำรงตำแหน่ง) ทฤษฎีของ Dirac เป็นทฤษฎีแรกในลักษณะนี้ที่สอดคล้องกับทั้งกลศาสตร์ควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ ให้คำอธิบายทางคณิตศาสตร์ว่าเหตุใดการหมุนของอิเล็กตรอนจึงเท่ากับ 1/2 กล่าวคือ ทำไมเมื่ออิเล็กตรอนหมุนหนึ่งครั้ง จึงไม่อยู่ในรูปแบบก่อนหน้า แต่เมื่อหมุนสองครั้ง ก็จะหมุนไป ทฤษฎีของ Dirac ยังทำนายด้วยว่าอิเล็กตรอนควรมีคู่ - แอนติอิเล็กตรอนหรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือโพซิตรอน การค้นพบโพซิตรอนในปี พ.ศ. 2475 เป็นการยืนยันทฤษฎีของดิแรก และในปี พ.ศ. 2476 เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ตอนนี้เรารู้แล้วว่าทุกอนุภาคมีปฏิภาคซึ่งมันสามารถทำลายล้างได้ (ในกรณีของอนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์กัน อนุภาคและปฏิอนุภาคจะเป็นอันเดียวกัน) อาจมีคำต่อต้านและปฏิปักษ์ทั้งหมดซึ่งประกอบด้วยปฏิปักษ์ แต่ถ้าเจอคนต่อต้านตัวเองอย่าคิดจะจับมือเขาด้วยซ้ำ! จะมีแสงวาบวาบและคุณทั้งสองจะหายไป คำถามที่สำคัญอย่างยิ่งคือเหตุใดจึงมีอนุภาคอยู่รอบตัวเรามากกว่าปฏิปักษ์มากมาย เราจะกลับมาดูในภายหลังในบทนี้

ในกลศาสตร์ควอนตัม แรงทั้งหมดหรืออันตรกิริยาระหว่างอนุภาคของสสารจะถือว่าถูกพาไปโดยอนุภาคที่มีการหมุนจำนวนเต็ม 0, 1 หรือ 2 อนุภาคของสสาร เช่น อิเล็กตรอนหรือควาร์ก จะปล่อยอนุภาคที่นำพา แรง. ผลจากการหดตัวทำให้ความเร็วของอนุภาคของสสารเปลี่ยนไป จากนั้นอนุภาคพาหะจะชนกับอนุภาคอื่นของสารและถูกดูดซับโดยมัน การชนกันนี้จะเปลี่ยนความเร็วของอนุภาคที่สอง ราวกับว่ามีแรงกระทำระหว่างอนุภาคทั้งสองของสสาร

อนุภาคพาหะของปฏิกิริยามีคุณสมบัติที่สำคัญอย่างหนึ่ง: พวกมันไม่เป็นไปตามหลักการกีดกันของเพาลี ซึ่งหมายความว่าไม่มีข้อจำกัดเกี่ยวกับจำนวนอนุภาคที่มีการแลกเปลี่ยน ดังนั้นแรงปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นอาจมีขนาดใหญ่ แต่ถ้ามวลของอนุภาคพาหะมีขนาดใหญ่ การสร้างและการแลกเปลี่ยนของพวกมันก็จะยากในระยะไกล ดังนั้นแรงที่พวกมันแบกไว้จะเป็นระยะสั้น ถ้าอนุภาคพาหะไม่มีมวลของตัวเอง แรงในระยะไกลก็จะเกิดขึ้น อนุภาคพาหะที่มีการแลกเปลี่ยนกันระหว่างอนุภาคของสสารเรียกว่าเสมือน เนื่องจากไม่สามารถตรวจจับได้โดยตรงโดยใช้เครื่องตรวจจับอนุภาค ซึ่งต่างจากของจริง อย่างไรก็ตาม เรารู้ว่าอนุภาคเสมือนมีอยู่เพราะมันสร้างผลกระทบที่วัดได้: อนุภาคเสมือนสร้างแรงระหว่างอนุภาคของสสาร ภายใต้เงื่อนไขบางประการ อนุภาคที่มีการหมุน 0, 1, 2 ก็มีอยู่จริงเช่นกัน จากนั้นจึงสามารถลงทะเบียนได้โดยตรง จากมุมมองของฟิสิกส์คลาสสิก อนุภาคดังกล่าวเกิดขึ้นกับเราในรูปของคลื่น ไม่ว่าจะเป็นแสงหรือความโน้มถ่วง บางครั้งพวกมันจะถูกปล่อยออกมาระหว่างปฏิกิริยาของอนุภาคของสาร ซึ่งเกิดขึ้นเนื่องจากการแลกเปลี่ยนอนุภาคพาหะอันมีปฏิสัมพันธ์ (เช่น แรงผลักกันทางไฟฟ้าระหว่างอิเล็กตรอนสองตัวเกิดขึ้นจากการแลกเปลี่ยนโฟตอนเสมือนซึ่งไม่สามารถตรวจจับได้โดยตรง แต่ถ้าอิเล็กตรอนบินผ่านกันและกัน ก็จะสามารถปล่อยโฟตอนจริงออกมาได้ซึ่งจะถูกตรวจจับเป็นคลื่นแสง )

อนุภาคพาหะสามารถแบ่งออกได้เป็น 4 ประเภท ขึ้นอยู่กับขนาดของอันตรกิริยาที่พวกมันพาไปและอนุภาคที่พวกมันมีปฏิสัมพันธ์ด้วย เราเน้นย้ำว่าการแบ่งแยกดังกล่าวเป็นการประดิษฐ์ขึ้นโดยสมบูรณ์ นี่เป็นรูปแบบที่สะดวกสำหรับการพัฒนาทฤษฎีเฉพาะซึ่งอาจไม่มีอะไรร้ายแรงไปกว่านี้อีกแล้ว นักฟิสิกส์ส่วนใหญ่หวังว่าในที่สุดจะสามารถสร้างทฤษฎีที่เป็นเอกภาพได้ โดยแรงทั้งสี่จะแปรผันตามแรงเดียวกัน หลายคนถึงกับมองว่านี่เป็นเป้าหมายหลักของฟิสิกส์ยุคใหม่ เมื่อเร็ว ๆ นี้ ความพยายามที่จะรวมพลังทั้งสามเข้าด้วยกันก็ประสบความสำเร็จ ฉันจะพูดถึงพวกเขาเพิ่มเติมในบทนี้ เราจะพูดคุยกันในภายหลังว่าสิ่งต่าง ๆ ยืนหยัดอย่างไรเมื่อรวมแรงโน้มถ่วงเข้าด้วยกันในการรวมกันเช่นนี้

ดังนั้นแรงประเภทแรกคือแรงโน้มถ่วง แรงโน้มถ่วงนั้นเป็นสากล ซึ่งหมายความว่าทุกอนุภาคอยู่ภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง ซึ่งขนาดจะขึ้นอยู่กับมวลหรือพลังงานของอนุภาค แรงโน้มถ่วงนั้นอ่อนกว่าแรงทั้งสามที่เหลืออยู่มาก นี่เป็นแรงที่อ่อนแอมากซึ่งเราจะไม่สังเกตเห็นเลยหากไม่ใช่เพราะคุณสมบัติเฉพาะสองประการของมัน นั่นคือ แรงโน้มถ่วงที่กระทำในระยะไกลและเป็นแรงดึงดูดเสมอ ผลที่ตามมาคือ แรงโน้มถ่วงอันอ่อนมากอันตรกิริยาระหว่างอนุภาคแต่ละอนุภาคในวัตถุขนาดใหญ่สองแห่ง เช่น โลกและดวงอาทิตย์ สามารถรวมกันเป็นแรงที่มีขนาดใหญ่มากได้ ปฏิสัมพันธ์อีกสามประเภทอาจกระทำในระยะทางสั้นๆ เท่านั้น หรือน่ารังเกียจหรือน่าดึงดูด ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะนำไปสู่การชดเชย ในแนวทางเชิงกลควอนตัมไปยังสนามโน้มถ่วง แรงโน้มถ่วงระหว่างอนุภาคสองอนุภาคถูกพิจารณาว่าถูกพาไปโดยอนุภาคสปิน-2 ที่เรียกว่ากราวิตัน กราวิตอนไม่มีมวลเป็นของตัวเอง ดังนั้นแรงที่มันรับจึงมีระยะไกล ปฏิกิริยาแรงโน้มถ่วงระหว่างดวงอาทิตย์และโลกอธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าอนุภาคที่ประกอบกันเป็นโลกและดวงอาทิตย์แลกเปลี่ยนแรงโน้มถ่วงกัน แม้ว่าจะมีเพียงอนุภาคเสมือนเท่านั้นที่มีส่วนร่วมในการแลกเปลี่ยน แต่ผลกระทบที่พวกมันสร้างขึ้นนั้นสามารถวัดได้อย่างแน่นอน เพราะผลกระทบนี้คือการหมุนของโลกรอบดวงอาทิตย์! แรงโน้มถ่วงที่แท้จริงแพร่กระจายในรูปแบบของคลื่น ซึ่งในฟิสิกส์คลาสสิกเรียกว่าคลื่นความโน้มถ่วง แต่คลื่นเหล่านี้อ่อนแอมากและยากมากที่จะบันทึกว่ายังไม่มีใครประสบความสำเร็จในการทำเช่นนี้

ปฏิกิริยาประเภทถัดไปถูกสร้างขึ้นโดยแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่กระทำระหว่างอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า เช่น อิเล็กตรอนและควาร์ก แต่ไม่รับผิดชอบต่ออันตรกิริยาของอนุภาคที่ไม่มีประจุ เช่น กราวิตอน ปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้านั้นแรงกว่าแรงโน้มถ่วงมาก: แรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่กระทำระหว่างอิเล็กตรอนสองตัวมีค่าประมาณหนึ่งล้านล้านล้านล้านล้านล้าน (หนึ่งตามด้วยศูนย์สี่สิบสอง) มากกว่าแรงโน้มถ่วง แต่ประจุไฟฟ้ามีสองประเภท - บวกและลบ ระหว่างประจุบวกสองประจุ เช่นเดียวกับระหว่างประจุลบสองประจุจะมีแรงผลัก และระหว่างประจุบวกกับประจุลบก็มีแรงดึงดูด ในวัตถุขนาดใหญ่ เช่น โลกหรือดวงอาทิตย์ ปริมาณประจุบวกและประจุลบเกือบจะเท่ากัน ดังนั้นแรงดึงดูดและแรงผลักจึงเกือบจะหักล้างกัน และแรงแม่เหล็กไฟฟ้าบริสุทธิ์ยังคงอยู่น้อยมาก อย่างไรก็ตาม แรงแม่เหล็กไฟฟ้ามีอิทธิพลเหนืออะตอมและโมเลกุลขนาดเล็ก เนื่องจากแรงดึงดูดทางแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างอิเล็กตรอนที่มีประจุลบและโปรตอนที่มีประจุบวกในนิวเคลียส อิเล็กตรอนในอะตอมจึงหมุนรอบนิวเคลียสในลักษณะเดียวกับที่แรงดึงดูดโน้มถ่วงทำให้โลกหมุนรอบดวงอาทิตย์ แรงดึงดูดแม่เหล็กไฟฟ้าอธิบายได้ว่าเป็นผลมาจากการแลกเปลี่ยนอนุภาคสปิน-1 ไร้มวลเสมือนจริงจำนวนมากที่เรียกว่าโฟตอน เช่นเดียวกับกราวิตอน โฟตอนที่ทำการแลกเปลี่ยนนั้นเป็นเสมือน แต่เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากวงโคจรที่อนุญาตไปยังอีกวงหนึ่งซึ่งตั้งอยู่ใกล้นิวเคลียส พลังงานจะถูกปล่อยออกมา และผลก็คือโฟตอนจริงถูกปล่อยออกมา ซึ่งในช่วงความยาวคลื่นที่เหมาะสม , สามารถสังเกตได้ด้วยตามนุษย์เป็นแสงที่มองเห็นได้ หรือใช้เครื่องตรวจจับโฟตอนบางชนิด เช่น ฟิล์มถ่ายภาพ ในทำนองเดียวกัน เมื่อโฟตอนจริงชนกับอะตอม อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่จากวงโคจรหนึ่งไปอีกวงหนึ่งได้ ซึ่งอยู่ห่างจากนิวเคลียสมากขึ้น การเปลี่ยนแปลงนี้เกิดขึ้นเนื่องจากพลังงานของโฟตอนซึ่งถูกอะตอมดูดซับไว้ การโต้ตอบประเภทที่สามเรียกว่าปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ มีหน้าที่รับผิดชอบต่อกัมมันตภาพรังสีและอยู่ระหว่างอนุภาคทั้งหมดของสสารที่มีการหมุน 1/2 แต่อนุภาคที่มีการหมุน 0, 1, 2 - โฟตอนและกราวิตอน - จะไม่มีส่วนร่วม ก่อนปี 1967 คุณสมบัติของแรงอ่อนยังไม่เป็นที่เข้าใจ และในปี 1967 อับดุส ซาลาม นักทฤษฎีจาก Imperial College London และ Steven Weinberg จากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด ได้เสนอทฤษฎีที่รวมแรงอ่อนเข้ากับแรงแม่เหล็กไฟฟ้าในลักษณะเดียวกับ เมื่อร้อยปีก่อน Maxwell ได้รวมเอาไฟฟ้าและแม่เหล็กเข้าด้วยกัน ไวน์เบิร์กและซาลามเสนอว่านอกจากโฟตอนแล้ว ยังมีอนุภาคสปิน-1 อีกสามอนุภาค เรียกรวมกันว่าเฮฟวี่เวคเตอร์โบซอน ซึ่งมีแรงอ่อนค่า โบซอนเหล่านี้ถูกกำหนดให้เป็น W+, W– และ Z0 และแต่ละตัวมีมวล 100 GeV (GeV ย่อมาจาก gigaelectronvolt หรือหนึ่งพันล้านอิเล็กตรอนโวลต์) ทฤษฎีไวน์เบิร์ก-ซาลามมีคุณสมบัติที่เรียกว่าการแตกสมมาตรที่เกิดขึ้นเอง หมายความว่าอนุภาคที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงที่พลังงานต่ำ จริงๆ แล้วกลายเป็นอนุภาคเดียวกันที่มีพลังงานสูง แต่อยู่ในสถานะที่ต่างกัน นี่เป็นลักษณะที่คล้ายคลึงกับพฤติกรรมของลูกบอลเมื่อเล่นรูเล็ต เมื่อมีพลังงานสูง (เช่น เมื่อล้อหมุนเร็ว) ลูกบอลจะมีพฤติกรรมเกือบเหมือนเดิมเสมอ - มันจะหมุนไม่หยุด แต่เมื่อวงล้อหมุนช้าลง พลังงานของลูกบอลจะลดลง และในที่สุดมันก็ตกไปอยู่ในร่องหนึ่งในสามสิบเจ็ดร่องบนวงล้อ กล่าวอีกนัยหนึ่ง เมื่อมีพลังงานต่ำ ลูกบอลสามารถดำรงอยู่ในสถานะสามสิบเจ็ดได้ หากด้วยเหตุผลบางอย่างเราสามารถสังเกตลูกบอลด้วยพลังงานต่ำเท่านั้น เราก็จะคิดว่ามีลูกบอลที่แตกต่างกันสามสิบเจ็ดประเภท!

ทฤษฎีไวน์เบิร์ก-ซาลามทำนายว่าที่พลังงานมากกว่า 100 GeV อนุภาคใหม่ทั้งสามและโฟตอนควรมีพฤติกรรมเหมือนกัน แต่ที่พลังงานอนุภาคต่ำกว่า ในสถานการณ์ปกติส่วนใหญ่ “สมมาตร” นี้ควรจะพังทลายลง มวลของโบซอน W+, W– และ Z0 ถูกคาดการณ์ไว้ว่าจะมีขนาดใหญ่ ดังนั้นแรงที่พวกมันสร้างขึ้นจะมีพิสัยการกระทำที่สั้นมาก เมื่อไวน์เบิร์กและซาลามเสนอทฤษฎีของพวกเขา มีเพียงไม่กี่คนที่เชื่อทฤษฎีเหล่านี้ และด้วยเครื่องเร่งปฏิกิริยาพลังงานต่ำในยุคนั้น จึงเป็นไปไม่ได้เลยที่จะบรรลุพลังงาน 100 GeV ที่จำเป็นสำหรับการผลิตอนุภาค W+, W– และ Z0 จริง อย่างไรก็ตาม สิบปีต่อมา การคาดการณ์ที่ได้รับในทฤษฎีนี้ที่พลังงานต่ำได้รับการยืนยันอย่างดีจากการทดลองว่าไวน์เบิร์กและซาลามได้รับรางวัลโนเบลในปี 1979 ร่วมกับเชลดอน กลาโชว์ (จากฮาร์วาร์ดเช่นกัน) ผู้เสนอทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้าและความอ่อนแอที่เป็นหนึ่งเดียวที่คล้ายกัน ปฏิกิริยานิวเคลียร์ คณะกรรมการรางวัลโนเบลไม่ต้องอับอายที่อาจเกิดขึ้นหากพบว่ามีข้อผิดพลาดในการค้นพบโฟตอนคู่ขนาดใหญ่สามคู่ที่ CERN ในปี 1983 โดยมีมวลที่ถูกต้องและลักษณะที่คาดการณ์ไว้อื่นๆ ที่ CERN Carlo Rubbia ซึ่งเป็นผู้นำทีมนักฟิสิกส์หลายร้อยคนที่ทำการค้นพบนี้ ได้รับรางวัลโนเบลในปี 1984 ซึ่งมอบให้กับเขาร่วมกับ Simon Van der Meer วิศวกรของ CERN ผู้เขียนวงแหวนกักเก็บปฏิภาคที่ใช้ในการทดลอง (ทุกวันนี้ เป็นเรื่องยากมากที่จะสร้างชื่อเสียงของคุณในวิชาฟิสิกส์ทดลอง เว้นแต่ว่าคุณจะอยู่ในระดับสูงสุดอยู่แล้ว!)

แรงนิวเคลียร์อย่างแรงคือแรงประเภท 4 ที่เก็บควาร์กไว้ในโปรตอนและนิวตรอน และโปรตอนและนิวตรอนอยู่ภายในนิวเคลียสของอะตอม พาหะของอันตรกิริยารุนแรงถือเป็นอีกอนุภาคที่มีสปิน 1 ซึ่งเรียกว่ากลูออน

กลูออนโต้ตอบกับควาร์กและกลูออนอื่นๆ เท่านั้น ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งมีคุณสมบัติพิเศษอย่างหนึ่ง - มีการกักขัง (การกักขัง - การจำกัด การเก็บรักษา (ภาษาอังกฤษ) - เอ็ด)

การกักขังคือการที่อนุภาคจะอยู่รวมกันโดยไม่มีสีเสมอ ควาร์กตัวเดียวไม่สามารถดำรงอยู่ได้ด้วยตัวเอง เพราะงั้นมันจะต้องมีสี (แดง เขียว หรือน้ำเงิน) ดังนั้น ควาร์กสีแดงจะต้องเชื่อมต่อกับสีเขียวและสีน้ำเงินโดยใช้กลูออน “เจ็ต” (แดง + เขียว + น้ำเงิน = ขาว) แฝดดังกล่าวกลายเป็นโปรตอนหรือนิวตรอน มีความเป็นไปได้อีกอย่างหนึ่ง เมื่อมีการจับคู่ควาร์กและแอนติควาร์ก (แดง + แอนติ-เรด หรือเขียว + แอนติ-เขียว หรือน้ำเงิน + แอนติ-น้ำเงิน = ขาว) การรวมกันดังกล่าวประกอบขึ้นเป็นอนุภาคที่เรียกว่ามีซอน อนุภาคเหล่านี้ไม่เสถียรเนื่องจากควาร์กและแอนติควาร์กสามารถทำลายล้างซึ่งกันและกันจนกลายเป็นอิเล็กตรอนและอนุภาคอื่นๆ ในทำนองเดียวกัน กลูออนตัวเดียวไม่สามารถดำรงอยู่ได้ด้วยตัวเองเนื่องจากการจำกัด เนื่องจากกลูออนก็มีสีเช่นกัน ดังนั้นกลูออนจึงต้องจัดกลุ่มในลักษณะที่สีของมันรวมกันเป็นสีขาว กลุ่มกลูออนที่อธิบายไว้ก่อให้เกิดอนุภาคที่ไม่เสถียร - ก้อนกาว

เราไม่สามารถสังเกตควาร์กหรือกลูออนแต่ละตัวได้เนื่องจากการกักขัง นี่ไม่ได้หมายความว่าความคิดเรื่องควาร์กและกลูออนในฐานะอนุภาคนั้นค่อนข้างเลื่อนลอยไปใช่ไหม? ไม่ เนื่องจากปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงนั้นมีลักษณะเฉพาะด้วยคุณสมบัติอื่นที่เรียกว่าเสรีภาพเชิงเส้นกำกับ ด้วยคุณสมบัตินี้ แนวคิดของควาร์กและกลูออนจึงมีความชัดเจนอย่างสมบูรณ์ สำหรับพลังงานธรรมดา ปฏิกิริยาที่รุนแรงนั้นรุนแรงจริงๆ และกดควาร์กเข้าด้วยกันอย่างแน่นหนา แต่ดังการทดลองที่เครื่องเร่งความเร็วอันทรงพลังแสดงให้เห็นว่า ที่พลังงานสูง ปฏิกิริยาที่รุนแรงจะลดลงอย่างเห็นได้ชัด ควาร์กและกลูออนก็เริ่มมีพฤติกรรมเกือบเหมือนอนุภาคอิสระ ในรูป รูปที่ 5.2 แสดงภาพถ่ายการชนกันของโปรตอน-แอนติโปรตอนพลังงานสูง เราเห็นว่าควาร์กที่เกือบจะเป็นอิสระหลายตัวซึ่งเกิดจากการปฏิสัมพันธ์ได้ก่อให้เกิด "ไอพ่น" ของแทร็กที่มองเห็นได้ในภาพถ่าย

ความสำเร็จในการรวมกันระหว่างปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าและปฏิกิริยาแบบอ่อนส่งผลให้เกิดความพยายามที่จะรวมปฏิสัมพันธ์ทั้งสองประเภทนี้เข้ากับปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรง ส่งผลให้เกิดสิ่งที่เรียกว่าทฤษฎีรวมใหญ่ มีการพูดเกินจริงในชื่อนี้ ประการแรก ทฤษฎีรวมใหญ่นั้นไม่ได้ยิ่งใหญ่ขนาดนั้น และประการที่สอง ทฤษฎีเหล่านั้นไม่ได้รวมพลังทั้งหมดเข้าด้วยกันอย่างสมบูรณ์ เนื่องจากไม่รวมแรงโน้มถ่วง นอกจากนี้ ทฤษฎีทั้งหมดนี้ในความเป็นจริงแล้วยังไม่สมบูรณ์ เนื่องจากมีพารามิเตอร์ที่ไม่สามารถคาดเดาได้ในทางทฤษฎี และต้องคำนวณโดยการเปรียบเทียบผลทางทฤษฎีและการทดลอง อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีดังกล่าวสามารถเป็นก้าวหนึ่งสู่ทฤษฎีการรวมตัวที่สมบูรณ์ซึ่งครอบคลุมปฏิสัมพันธ์ทั้งหมดได้ แนวคิดหลักเบื้องหลังการสร้างทฤษฎีเอกภาพที่ยิ่งใหญ่มีดังนี้ ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว ปฏิกิริยารุนแรงที่พลังงานสูงจะอ่อนแอกว่าที่พลังงานต่ำ ในเวลาเดียวกันแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงอ่อนจะไม่เป็นอิสระเชิงเส้นแสดงและเมื่อมีพลังงานสูงพวกมันก็จะเพิ่มขึ้น จากนั้นด้วยพลังงานที่มีมูลค่ามหาศาล - ด้วยพลังงานแห่งการรวมกันอันยิ่งใหญ่ - พลังทั้งสามนี้อาจเท่ากันและกลายเป็นเพียงพลังที่หลากหลาย ทฤษฎีการรวมตัวครั้งใหญ่ทำนายว่าที่พลังงานนี้ อนุภาคต่างๆ ของสสารสปิน 1/2 เช่น ควาร์กและอิเล็กตรอน ก็จะไม่ต่างกันเช่นกัน ซึ่งจะเป็นอีกก้าวหนึ่งที่นำไปสู่การรวมเป็นหนึ่ง

ค่าพลังงานรวมอันยิ่งใหญ่นั้นไม่เป็นที่รู้จักกันดี แต่จะต้องมีค่าอย่างน้อยหนึ่งพันล้านล้าน GeV ในเครื่องเร่งอนุภาครุ่นปัจจุบัน อนุภาคที่มีพลังงานประมาณ 100 GeV จะชนกัน และในโครงการในอนาคตค่านี้ควรเพิ่มเป็นหลายพัน GeV แต่การเร่งอนุภาคให้เป็นพลังงานรวมขนาดใหญ่ต้องใช้เครื่องเร่งขนาดเท่าระบบสุริยะ ไม่น่าเป็นไปได้ที่ในสถานการณ์เศรษฐกิจปัจจุบันจะมีใครตัดสินใจจัดหาเงินทุน นี่คือเหตุผลว่าทำไมการทดสอบเชิงทดลองโดยตรงของทฤษฎีรวมขนาดใหญ่จึงเป็นไปไม่ได้ แต่ที่นี่ เช่นเดียวกับทฤษฎีรวมไฟฟ้าอ่อนแอ สามารถทดสอบผลลัพธ์ด้านพลังงานต่ำได้

ผลที่ตามมาที่น่าสนใจที่สุดคือโปรตอนซึ่งประกอบเป็นมวลส่วนใหญ่ของสสารธรรมดา สามารถสลายตัวเป็นอนุภาคที่เบากว่าได้เอง เช่น แอนติอิเล็กตรอน เหตุผลก็คือว่าที่พลังงานรวมอันยิ่งใหญ่ไม่มีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญระหว่างควาร์กและแอนติอิเล็กตรอน ควาร์กสามตัวในโปรตอนมักจะไม่มีพลังงานเพียงพอที่จะเปลี่ยนเป็นแอนติอิเล็กตรอน แต่ควาร์กตัวหนึ่งอาจได้รับพลังงานเพียงพอสำหรับการเปลี่ยนแปลงนี้โดยบังเอิญ เนื่องด้วยหลักความไม่แน่นอน จึงเป็นไปไม่ได้ที่จะบันทึกพลังงานได้อย่างแม่นยำ ของควาร์กที่อยู่ภายในโปรตอน จากนั้นโปรตอนจะต้องสลายตัว แต่ความน่าจะเป็นที่ควาร์กจะมีพลังงานเพียงพอนั้นน้อยมากจนต้องรอคอยสิ่งนี้อย่างน้อยหนึ่งล้านล้านล้านล้านล้าน (หนึ่งตามด้วยศูนย์สามสิบ) ปี ซึ่งนานกว่านั้นมาก เวลาที่ผ่านไปตั้งแต่เกิดบิ๊กแบงซึ่งไม่เกินหมื่นล้านปีหรืออะไรประมาณนั้น (หนึ่ง ตามด้วยศูนย์สิบ) สิ่งนี้เสนอแนะข้อสรุปว่าไม่สามารถตรวจสอบความเป็นไปได้ของการสลายตัวของโปรตอนที่เกิดขึ้นเองได้ในการทดลอง อย่างไรก็ตาม มีความเป็นไปได้ที่จะเพิ่มความน่าจะเป็นในการสังเกตการสลายตัวของโปรตอนโดยการศึกษาโปรตอนจำนวนมาก (ตัวอย่างเช่น จากการสังเกต 1 ที่มีโปรตอนเป็นศูนย์สามสิบเอ็ดตัวในช่วงเวลาหนึ่งปี เราหวังว่าจะตรวจพบการสลายตัวของโปรตอนมากกว่าหนึ่งทฤษฎีที่ง่ายที่สุดทฤษฎีหนึ่งตามทฤษฎีการรวมตัวครั้งใหญ่ที่สุดทฤษฎีหนึ่ง)

มีการทดลองดังกล่าวหลายครั้งแล้ว แต่ไม่ได้ให้ข้อมูลที่แน่ชัดเกี่ยวกับการสลายตัวของโปรตอนหรือนิวตรอน การทดลองครั้งหนึ่งซึ่งใช้น้ำแปดพันตันดำเนินการในเหมืองเกลือในรัฐโอไฮโอ (เพื่อกำจัดการรบกวนของจักรวาลที่อาจเข้าใจผิดว่าเป็นการสลายตัวของโปรตอน) เนื่องจากไม่มีการตรวจพบการสลายตัวของโปรตอนในระหว่างการทดลองทั้งหมด จึงสามารถคำนวณได้ว่าอายุการใช้งานของโปรตอนจะต้องมากกว่าสิบล้านล้านล้านล้านล้าน (หนึ่งตามด้วยศูนย์สามสิบเอ็ด) ปี ผลลัพธ์นี้เกินกว่าการคาดการณ์ของทฤษฎีเอกภาพขนาดใหญ่ที่ง่ายที่สุด แต่มีทฤษฎีที่ซับซ้อนกว่าที่ให้ค่าประมาณที่สูงกว่า เพื่อยืนยันสิ่งเหล่านี้ จำเป็นต้องมีการทดลองที่แม่นยำยิ่งขึ้นกับสารในปริมาณที่มากขึ้นอีก

แม้จะมีความยากลำบากในการสังเกตการสลายตัวของโปรตอน แต่ก็เป็นไปได้ว่าการดำรงอยู่ของเรานั้นเป็นผลมาจากกระบวนการย้อนกลับ - การก่อตัวของโปรตอนหรือที่พูดง่าย ๆ ก็คือควาร์กในระยะเริ่มแรกเมื่อไม่มีควาร์กมากไปกว่าแอนติควาร์ก ภาพการกำเนิดจักรวาลนี้ดูเป็นธรรมชาติที่สุด สสารของโลกประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนเป็นส่วนใหญ่ ซึ่งในทางกลับกันก็ทำจากควาร์ก แต่ไม่มีแอนติโปรตอนหรือแอนตินิวตรอนซึ่งทำจากแอนติควาร์ก ยกเว้นเพียงไม่กี่ตัวที่ผลิตในเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ การทดลองกับรังสีคอสมิกยืนยันว่าสสารทั้งหมดในกาแล็กซีของเราเป็นเช่นเดียวกัน กล่าวคือ ไม่มีแอนติโปรตอนหรือแอนตินิวตรอน ยกเว้นแอนตินิวตรอนจำนวนเล็กน้อยที่เกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากการสร้างคู่อนุภาค-แอนตินิวตรอนในการชนกันของอนุภาคที่พลังงานสูง . หากมีปฏิสสารเป็นบริเวณกว้างในกาแล็กซีของเรา เราอาจคาดหวังการแผ่รังสีที่รุนแรงที่จุดเชื่อมต่อระหว่างสสารและปฏิสสาร ซึ่งการชนกันของอนุภาคและปฏิสสารหลายครั้งจะเกิดขึ้น ซึ่งเมื่อทำลายล้างแล้วจะปล่อยรังสีพลังงานสูงออกมา

เราไม่สามารถบ่งชี้โดยตรงได้ว่าสสารของกาแลคซีอื่นประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนหรือแอนติโปรตอนและแอนตินิวตรอนหรือไม่ แต่จะต้องประกอบด้วยอนุภาคประเภทเดียวกัน ภายในกาแลคซีเดียวไม่สามารถมีส่วนผสมของอนุภาคและปฏิอนุภาคได้ เพราะด้วยเหตุนี้ รังสีอันทรงพลังที่ทำลายล้างพวกมันจะถูกปล่อยออกมา ดังนั้นเราจึงเชื่อว่ากาแลคซีทั้งหมดประกอบด้วยควาร์ก ไม่ใช่แอนตีควาร์ก ไม่น่าเป็นไปได้ที่กาแลคซีบางแห่งจะประกอบด้วยสสารและปฏิสสารอื่นๆ

แต่เหตุใดจึงมีควาร์กมากกว่าโบราณควาร์ก? ทำไมตัวเลขถึงไม่เหมือนกัน? เราโชคดีมากที่เป็นเช่นนั้น เพราะหากมีควาร์กและแอนติควาร์กในจำนวนเท่ากัน ควาร์กและแอนติควาร์กเกือบทั้งหมดคงจะทำลายล้างกันในจักรวาลยุคแรกเริ่ม และเต็มไปด้วยรังสี แต่ก็แทบจะไม่เหลือสสารใดๆ เลย จะไม่มีกาแล็กซี ไม่มีดวงดาว หรือดาวเคราะห์ใดที่ชีวิตมนุษย์สามารถพัฒนาได้ ทฤษฎีเอกภาพอันยิ่งใหญ่สามารถอธิบายได้ว่าทำไมตอนนี้ควาร์กในจักรวาลจึงควรมีมากกว่าแอนติควาร์ก แม้ว่าในตอนแรกจะมีจำนวนเท่ากันก็ตาม ดังที่เราทราบแล้วว่า ในทฤษฎีเอกภาพขนาดใหญ่ที่มีพลังงานสูง ควาร์กสามารถกลายเป็นแอนติอิเล็กตรอนได้ กระบวนการย้อนกลับก็เป็นไปได้เช่นกัน เมื่อแอนติควาร์กเปลี่ยนเป็นอิเล็กตรอน และอิเล็กตรอนและแอนตีอิเล็กตรอนกลายเป็นแอนติควาร์กและควาร์ก กาลครั้งหนึ่ง ในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนาจักรวาล อากาศร้อนมากจนพลังงานของอนุภาคเพียงพอสำหรับการเปลี่ยนแปลงดังกล่าว แต่เหตุใดสิ่งนี้จึงส่งผลให้เกิดควาร์กมากกว่าแอนติควาร์ก? เหตุผลก็คือกฎของฟิสิกส์ไม่เหมือนกันทุกประการสำหรับอนุภาคและปฏิปักษ์

จนกระทั่งปี 1956 เชื่อกันว่ากฎของฟิสิกส์ไม่แปรเปลี่ยนภายใต้การแปลงแบบสมมาตรสามแบบ ได้แก่ C, P และ T สมมาตร C หมายความว่ากฎทั้งหมดเหมือนกันสำหรับอนุภาคและปฏิปักษ์ สมมาตร P หมายความว่ากฎของฟิสิกส์เหมือนกันสำหรับปรากฏการณ์ใดๆ และการสะท้อนกลับของกระจก (ภาพสะท้อนในกระจกของอนุภาคที่หมุนตามเข็มนาฬิกาจะเป็นอนุภาคที่หมุนทวนเข็มนาฬิกา) สุดท้ายนี้ ความหมายของสมมาตรแบบ T ก็คือ เมื่อทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคและปฏิอนุภาคทั้งหมดกลับกัน ระบบจะกลับสู่สถานะเดิม กล่าวอีกนัยหนึ่งกฎก็เหมือนกันไม่ว่าจะเดินหน้าหรือถอยหลังก็ตาม

ในปี 1956 นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันสองคน Tzundao Li และ Zhenning Yang เสนอว่าอันที่จริงอันตรกิริยาที่อ่อนแอนั้นแท้จริงแล้วไม่แปรเปลี่ยนภายใต้การแปลง P กล่าวอีกนัยหนึ่ง เนื่องจากปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ การพัฒนาของเอกภพอาจดำเนินไปแตกต่างจากการพัฒนาภาพสะท้อนในกระจก ในปีเดียวกันนั้นเอง Jinxiang Wu เพื่อนร่วมงานของ Li และ Yang สามารถพิสูจน์ได้ว่าสมมติฐานของพวกเขาถูกต้อง ด้วยการจัดเรียงนิวเคลียสของอะตอมกัมมันตภาพรังสีในสนามแม่เหล็กเพื่อให้การหมุนของพวกมันอยู่ในทิศทางเดียวกัน เธอแสดงให้เห็นว่ามีอิเล็กตรอนถูกปล่อยออกมาในทิศทางหนึ่งมากกว่าอีกทิศทางหนึ่ง ในปีต่อมา ลีและหยางได้รับรางวัลโนเบลจากการค้นพบของพวกเขา ปรากฎว่าปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอก็ไม่เป็นไปตามสมมาตรของ C เช่นกัน ซึ่งหมายความว่าจักรวาลที่ประกอบด้วยปฏิปักษ์จะมีพฤติกรรมแตกต่างจากจักรวาลของเรา อย่างไรก็ตามสำหรับทุกคนดูเหมือนว่าปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอควรยังคงเป็นไปตามสมมาตร CP ที่รวมกันนั่นคือการพัฒนาของจักรวาลควรเกิดขึ้นในลักษณะเดียวกับการพัฒนาของการสะท้อนของกระจกของมันหากเราสะท้อนมันในกระจกแล้ว แทนที่แต่ละอนุภาคด้วยแอนติพาร์ติเคิลด้วย! แต่ในปี 1964 ชาวอเมริกันอีกสองคนคือ James Cronin และ Vel Fitch ค้นพบว่าแม้แต่ความสมมาตรของ CP ก็ถูกทำลายลงด้วยการสลายตัวของอนุภาคที่เรียกว่า K mesons

เป็นผลให้ในปี 1980 โครนินและฟิทช์ได้รับรางวัลโนเบลจากผลงานของพวกเขา (มีรางวัลมากมายสำหรับผลงานที่แสดงให้เห็นว่าจักรวาลไม่ง่ายอย่างที่เราคิด)

มีทฤษฎีบททางคณิตศาสตร์ที่ระบุว่าทฤษฎีใดๆ ที่เป็นไปตามกลศาสตร์ควอนตัมและสัมพัทธภาพจะต้องไม่แปรเปลี่ยนภายใต้สมมาตร CPT ที่รวมกันเสมอ กล่าวอีกนัยหนึ่ง พฤติกรรมของจักรวาลจะไม่เปลี่ยนแปลงหากคุณแทนที่อนุภาคด้วยปฏิภาค สะท้อนทุกสิ่งในกระจก และย้อนทิศทางของเวลาด้วย แต่โครนินและฟิทช์แสดงให้เห็นว่าหากคุณแทนที่อนุภาคด้วยปฏิภาคและสร้างภาพสะท้อนในกระจก แต่ไม่กลับทิศทางของเวลา จักรวาลจะมีพฤติกรรมแตกต่างออกไป ดังนั้น เมื่อเวลาย้อนกลับ กฎของฟิสิกส์จะต้องเปลี่ยนแปลง กล่าวคือ กฎเหล่านี้ไม่แปรเปลี่ยนตามสมมาตรของ T

เห็นได้ชัดว่าในจักรวาลยุคแรก ความสมมาตร T ถูกทำลาย: เมื่อเวลาผ่านไป จักรวาลก็ขยายตัว และหากเวลาถอยหลัง จักรวาลก็จะเริ่มหดตัว และเนื่องจากมีแรงที่ไม่คงที่เมื่อเทียบกับสมมาตร T จึงตามมาว่าในขณะที่จักรวาลขยายตัวภายใต้อิทธิพลของแรงเหล่านี้ แอนติอิเล็กตรอนควรกลายเป็นควาร์กบ่อยกว่าอิเล็กตรอนเป็นแอนติควาร์ก จากนั้น เมื่อจักรวาลขยายตัวและเย็นลง แอนติควาร์กและควาร์กก็จะถูกทำลายล้างไป แต่เนื่องจากมีควาร์กมากกว่าแอนติควาร์ก จึงมีจำนวนควาร์กมากเกินไปเล็กน้อย และพวกมันคือควาร์กที่ประกอบขึ้นเป็นเรื่องราวในปัจจุบันที่เราเห็นและสร้างขึ้นจากตัวเราเอง ดังนั้น การดำรงอยู่ของเราจึงถือเป็นการยืนยันทฤษฎีการรวมชาติอันยิ่งใหญ่ แม้ว่าจะเป็นเพียงการยืนยันเชิงคุณภาพเท่านั้นก็ตาม ความไม่แน่นอนเกิดขึ้นเนื่องจากเราไม่สามารถคาดเดาได้ว่าจะมีควาร์กอยู่กี่ตัวหลังจากการทำลายล้าง หรือแม้แต่อนุภาคที่เหลือจะเป็นควาร์กหรือแอนตีควาร์กก็ตาม (จริงอยู่ หากมีแอนติควาร์กเหลืออยู่ เราก็จะเปลี่ยนชื่อเป็นควาร์ก และควาร์ก - แอนติควาร์ก)

ทฤษฎีเอกภาพที่ยิ่งใหญ่ไม่รวมถึงอันตรกิริยาโน้มถ่วง สิ่งนี้ไม่สำคัญนัก เนื่องจากแรงโน้มถ่วงมีขนาดเล็กมากจนสามารถละเลยอิทธิพลของพวกมันได้เมื่อเรา

การนำเสนอในหัวข้อ "อนุภาคมูลฐาน" ทางฟิสิกส์ในรูปแบบ PowerPoint การนำเสนอสำหรับเด็กนักเรียนชั้นประถมศึกษาปีที่ 11 นี้อธิบายฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐานและจัดระบบความรู้ในหัวข้อนี้ เป้าหมายของงานคือการพัฒนาความคิดเชิงนามธรรม ระบบนิเวศ และวิทยาศาสตร์ของนักเรียนโดยอิงจากแนวคิดเกี่ยวกับอนุภาคมูลฐานและปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคมูลฐาน ผู้เขียนงานนำเสนอ: Popova I.A. ครูฟิสิกส์

ชิ้นส่วนจากการนำเสนอ

ตารางธาตุมีองค์ประกอบกี่องค์ประกอบ?

• เพียง 92.
• ยังไง? มีอีกไหม?
• จริง แต่ส่วนที่เหลือทั้งหมดได้มาจากการประดิษฐ์ ไม่ได้เกิดขึ้นในธรรมชาติ
• ดังนั้น - 92 อะตอม โมเลกุลยังสามารถสร้างจากพวกมันได้เช่น สาร!
• แต่ความจริงที่ว่าสารทั้งหมดประกอบด้วยอะตอมนั้นถูกระบุโดย Democritus (400 ปีก่อนคริสตกาล)
• เขาเป็นนักเดินทางที่ยอดเยี่ยม และคำพูดที่เขาชอบที่สุดคือ:
• "ไม่มีอะไรดำรงอยู่ยกเว้นอะตอมและพื้นที่บริสุทธิ์ ทุกสิ่งทุกอย่างเป็นเพียงมุมมอง"

เส้นเวลาของฟิสิกส์อนุภาค

• นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีเผชิญกับงานที่ยากที่สุดในการจัดลำดับอนุภาคใน "สวนสัตว์" ที่ค้นพบทั้งหมด และพยายามลดจำนวนอนุภาคพื้นฐานให้เหลือน้อยที่สุด เพื่อพิสูจน์ว่าอนุภาคอื่นๆ ประกอบด้วยอนุภาคพื้นฐาน
• อนุภาคทั้งหมดนี้ไม่เสถียร กล่าวคือ สลายตัวเป็นอนุภาคที่มีมวลต่ำกว่า และในที่สุดก็กลายเป็นโปรตอน อิเล็กตรอน โฟตอน และนิวตริโนที่เสถียร (และปฏิปักษ์ของพวกมัน) ในที่สุด
• อันที่สามคืออันนี้ M. Gell-Mann และ J. Zweig อิสระเสนอแบบจำลองโครงสร้างของอนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์อย่างรุนแรงจากอนุภาคพื้นฐาน - ควาร์ก
• ขณะนี้แบบจำลองนี้ได้กลายเป็นทฤษฎีที่สอดคล้องกันของปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคทุกประเภทที่รู้จัก

จะตรวจจับอนุภาคมูลฐานได้อย่างไร?

โดยปกติแล้ว ร่องรอย (วิถีหรือรอยทาง) ที่เกิดจากอนุภาคจะถูกศึกษาและวิเคราะห์โดยใช้ภาพถ่าย

การจำแนกประเภทของอนุภาคมูลฐาน

อนุภาคทั้งหมดแบ่งออกเป็นสองชั้น:

• เฟอร์มิออนซึ่งประกอบเป็นสสาร;
• โบซอนซึ่งมีปฏิสัมพันธ์เกิดขึ้น

ควาร์ก

• ควาร์กมีส่วนร่วมในการโต้ตอบที่รุนแรง เช่นเดียวกับปฏิกิริยาที่อ่อนแอและเป็นแม่เหล็กไฟฟ้า
• Gell-Mann และ Georg Zweig เสนอแบบจำลองควาร์กในปี 1964
• หลักการของเพาลี: ในระบบหนึ่งของอนุภาคที่เชื่อมต่อถึงกัน ไม่เคยมีอนุภาคอย่างน้อยสองตัวที่มีพารามิเตอร์เหมือนกัน หากอนุภาคเหล่านี้มีการหมุนของจำนวนครึ่งจำนวนเต็ม

สปินคืออะไร?

• สปินแสดงให้เห็นว่ามีพื้นที่ของรัฐที่ไม่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของอนุภาคในพื้นที่ธรรมดา
• การหมุน (จากภาษาอังกฤษเป็นการหมุน - เพื่อหมุน) มักจะถูกเปรียบเทียบกับโมเมนตัมเชิงมุมของ "ลูกหมุนอย่างรวดเร็ว" - นี่ไม่เป็นความจริง!
• สปินเป็นคุณลักษณะควอนตัมภายในของอนุภาคที่ไม่มีอะนาล็อกในกลศาสตร์คลาสสิก
• การหมุน (จากการหมุนของภาษาอังกฤษ - การหมุนวน, การหมุน) คือโมเมนตัมเชิงมุมภายในของอนุภาคมูลฐานซึ่งมีลักษณะเป็นควอนตัมและไม่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของอนุภาคโดยรวม

ปฏิสัมพันธ์ทางกายภาพสี่ประเภท

• แรงโน้มถ่วง,
• แม่เหล็กไฟฟ้า,
• อ่อนแอ,
• แข็งแกร่ง.

• ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ- เปลี่ยนลักษณะภายในของอนุภาค
• ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง- กำหนดปฏิกิริยานิวเคลียร์ต่าง ๆ รวมถึงการเกิดขึ้นของแรงที่จับนิวตรอนและโปรตอนในนิวเคลียส

คุณสมบัติของควาร์ก

• ควาร์กมีคุณสมบัติที่เรียกว่าประจุสี
• ประจุสีมีสามประเภท ซึ่งตามอัตภาพกำหนดให้เป็น
• สีฟ้า,
• สีเขียว
• สีแดง.
• แต่ละสีมีส่วนเสริมในรูปแบบของการต่อต้านสีของตัวเอง - ต่อต้านสีน้ำเงิน, ต่อต้านสีเขียวและต่อต้านสีแดง
• ต่างจากควาร์กตรงที่แอนติควาร์กไม่มีสี แต่มีแอนตี้สีซึ่งมีประจุสีตรงกันข้าม

คุณสมบัติของควาร์ก: มวล

• ควาร์กมีมวลสองประเภทหลัก ซึ่งมีขนาดแตกต่างกัน:
• มวลควาร์กปัจจุบัน ประมาณในกระบวนการที่มีการถ่ายโอนโมเมนตัม 4 กำลังสองที่มีนัยสำคัญ และ
• มวลโครงสร้าง (บล็อก มวลส่วนประกอบ) รวมถึงมวลของสนามกลูออนรอบๆ ควาร์กด้วย และประมาณจากมวลของฮาดรอนและองค์ประกอบของควาร์ก

คุณสมบัติของควาร์ก: รส

• แต่ละรสชาติ (ประเภท) ของควาร์กมีลักษณะเฉพาะด้วยตัวเลขควอนตัม เช่น
• ไอโซสปินอิซ,
• ความแปลกประหลาด S,
• เสน่ห์ซี,
• เสน่ห์ (ก้นบึ้ง, ความงาม) B′,
• ความจริง (ความเป็นเลิศ) T.

งาน

• พลังงานใดที่ถูกปล่อยออกมาระหว่างการทำลายอิเล็กตรอนและโพซิตรอน?
• พลังงานใดที่ถูกปล่อยออกมาในระหว่างการทำลายล้างโปรตอนและแอนติโปรตอน?
• กระบวนการทางนิวเคลียร์ใดที่ก่อให้เกิดนิวตริโน?
  • A. ระหว่างα - การสลายตัว
  • B. ระหว่าง β - สลายตัว
  • B. เมื่อγ - ควอนต้าถูกปล่อยออกมา
• กระบวนการทางนิวเคลียร์ใดที่ก่อให้เกิดแอนตินิวตริโน?
  • A. ระหว่างα - การสลายตัว
  • B. ระหว่าง β - สลายตัว
  • B. เมื่อγ - ควอนต้าถูกปล่อยออกมา
  • D. ในระหว่างการเปลี่ยนแปลงทางนิวเคลียร์ใดๆ
• โปรตอนประกอบด้วย...
  • ก. . . .นิวตรอน โพซิตรอน และนิวตริโน
  • บี . . . .มีซอน
  • ใน. . . .ควาร์ก
  • ง. โปรตอนไม่มีส่วนประกอบ
• นิวตรอนประกอบด้วย...
  • ก. . . .โปรตอน อิเล็กตรอน และนิวตริโน
  • บี . . . .มีซอน
  • ใน. . . . ควาร์ก
  • ง. นิวตรอนไม่มีส่วนประกอบ
• การทดลองของ Davisson และ Germer พิสูจน์อะไรได้บ้าง
  • ก. ธรรมชาติควอนตัมของการดูดซับพลังงานโดยอะตอม
  • B. ธรรมชาติควอนตัมของการปล่อยพลังงานโดยอะตอม
  • ข. คุณสมบัติคลื่นของแสง
  • ง. คุณสมบัติคลื่นของอิเล็กตรอน
• สูตรใดต่อไปนี้กำหนดความยาวคลื่นของ de Broglie สำหรับอิเล็กตรอน (m และ v คือมวลและความเร็วของอิเล็กตรอน)

ทดสอบ

• ระบบทางกายภาพใดที่เกิดขึ้นจากอนุภาคมูลฐานอันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้า ก. อิเล็กตรอน โปรตอน ข. นิวเคลียสของอะตอม ข. อะตอม โมเลกุลของสสาร และปฏิปักษ์
• จากมุมมองของปฏิสัมพันธ์ อนุภาคทั้งหมดจะถูกแบ่งออกเป็นสามประเภท: ก. มีซอน โฟตอน และเลปตัน B. โฟตอน เลปตอน และแบริออน B. โฟตอน เลปตัน และแฮดรอน
• ปัจจัยหลักในการดำรงอยู่ของอนุภาคมูลฐานคืออะไร? ก. การเปลี่ยนแปลงซึ่งกันและกัน ข. ความมั่นคง B. ปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคซึ่งกันและกัน
• ปฏิกิริยาใดเป็นตัวกำหนดความเสถียรของนิวเคลียสในอะตอม ก. แรงโน้มถ่วง ข. แม่เหล็กไฟฟ้า บีนิวเคลียร์ ง. อ่อนแอ
• มีอนุภาคที่ไม่เปลี่ยนรูปในธรรมชาติหรือไม่? ก. มี. ข. พวกมันไม่มีอยู่จริง
• ความเป็นจริงของการเปลี่ยนแปลงของสสารให้เป็นสนามแม่เหล็กไฟฟ้า: A. ยืนยันโดยประสบการณ์การทำลายล้างของอิเล็กตรอนและโพซิตรอน B. ยืนยันโดยการทดลองทำลายล้างอิเล็กตรอนและโปรตอน
• ปฏิกิริยาการเปลี่ยนแปลงของสสารในสนาม: A. e + 2γ→e+ B. e + 2γ→e- C. e+ +e- =2γ
• ปฏิสัมพันธ์ใดที่รับผิดชอบในการเปลี่ยนแปลงของอนุภาคมูลฐานให้เป็นกันและกัน? ก. การมีปฏิสัมพันธ์ที่เข้มแข็ง ข. แรงโน้มถ่วง B. ปฏิกิริยาที่อ่อนแอ D. แรง, อ่อนแอ, แม่เหล็กไฟฟ้า

คำตอบสำหรับคำถามที่กำลังดำเนินอยู่: อะไรคืออนุภาคที่เล็กที่สุดในจักรวาลที่วิวัฒนาการมาพร้อมกับมนุษยชาติ

ผู้คนเคยคิดว่าเม็ดทรายเป็นส่วนประกอบของสิ่งที่เราเห็นรอบตัวเรา จากนั้นอะตอมก็ถูกค้นพบและคิดว่าแบ่งแยกไม่ได้จนกระทั่งถูกแยกออกเผยให้เห็นโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอนที่อยู่ภายใน พวกมันไม่ได้กลายเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดในจักรวาล เนื่องจากนักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าโปรตอนและนิวตรอนประกอบด้วยควาร์กสามตัวในแต่ละตัว

จนถึงตอนนี้ นักวิทยาศาสตร์ยังไม่สามารถเห็นหลักฐานใดๆ ที่แสดงว่ามีอะไรอยู่ภายในควาร์ก และยืนยันว่าชั้นสสารพื้นฐานที่สุดหรืออนุภาคที่เล็กที่สุดในจักรวาลได้ไปถึงแล้ว

แม้ว่าควาร์กและอิเล็กตรอนจะแบ่งแยกไม่ได้ นักวิทยาศาสตร์ก็ไม่รู้ว่าพวกมันเป็นสสารที่เล็กที่สุดที่มีอยู่หรือจักรวาลมีวัตถุที่เล็กกว่านั้นหรือไม่

อนุภาคที่เล็กที่สุดในจักรวาล

พวกมันมาในรสชาติและขนาดที่แตกต่างกัน บางชนิดมีการเชื่อมต่อที่น่าทึ่ง บางชนิดก็ระเหยซึ่งกันและกัน หลายชนิดมีชื่อที่น่าอัศจรรย์: ควาร์กที่ประกอบด้วยแบริออนและมีซอน นิวตรอนและโปรตอน นิวคลีออน ไฮเปอร์รอน มีซอน แบริออน นิวคลีออน โฟตอน ฯลฯ .d.

ฮิกส์โบซอนเป็นอนุภาคที่สำคัญต่อวิทยาศาสตร์มากจนเรียกว่า "อนุภาคพระเจ้า" เชื่อกันว่าเป็นตัวกำหนดมวลของมวลอื่นๆ ทั้งหมด องค์ประกอบนี้ถูกตั้งทฤษฎีครั้งแรกในปี 1964 เมื่อนักวิทยาศาสตร์สงสัยว่าทำไมอนุภาคบางอนุภาคจึงมีมวลมากกว่าอนุภาคอื่นๆ

ฮิกส์โบซอนเกี่ยวข้องกับสิ่งที่เรียกว่าสนามฮิกส์ ซึ่งเชื่อกันว่าเต็มจักรวาล องค์ประกอบสองอย่าง (ควอนตัมสนามฮิกส์และฮิกส์โบซอน) มีหน้าที่ให้มวลองค์ประกอบอื่น ตั้งชื่อตามนักวิทยาศาสตร์ชาวสก็อตแลนด์ ปีเตอร์ ฮิกส์ ด้วยความช่วยเหลือเมื่อวันที่ 14 มีนาคม 2556 จึงมีการประกาศการยืนยันการมีอยู่ของฮิกส์โบซอนอย่างเป็นทางการ

นักวิทยาศาสตร์หลายคนแย้งว่ากลไกของฮิกส์ได้ไขปริศนาส่วนที่หายไปเพื่อสร้าง "แบบจำลองมาตรฐาน" ของฟิสิกส์ที่มีอยู่ให้สมบูรณ์ ซึ่งอธิบายอนุภาคที่รู้จัก

ฮิกส์โบซอนเป็นตัวกำหนดมวลของทุกสิ่งที่มีอยู่ในจักรวาลโดยพื้นฐาน

ควาร์ก

ควาร์ก (หมายถึงควาร์ก) เป็นส่วนสำคัญของโปรตอนและนิวตรอน พวกเขาไม่เคยอยู่คนเดียว อยู่กันเป็นกลุ่มเท่านั้น เห็นได้ชัดว่าแรงที่ยึดควาร์กเข้าด้วยกันจะเพิ่มขึ้นตามระยะทาง ดังนั้นยิ่งคุณไปไกลเท่าไร การแยกพวกมันก็จะยิ่งยากขึ้นเท่านั้น ดังนั้นควาร์กอิสระจึงไม่เคยมีอยู่ในธรรมชาติ

ควาร์กเป็นอนุภาคพื้นฐานไม่มีโครงสร้างและแหลมคม ขนาดประมาณ 10−16 ซม.

ตัวอย่างเช่น โปรตอนและนิวตรอนประกอบด้วยควาร์กสามตัว โดยโปรตอนประกอบด้วยควาร์กที่เหมือนกันสองตัว ในขณะที่นิวตรอนมีสองควาร์กที่แตกต่างกัน

สมมาตรยิ่งยวด

เป็นที่ทราบกันดีว่า "ส่วนประกอบ" พื้นฐานของสสาร ได้แก่ เฟอร์มิออน คือ ควาร์กและเลปตัน และผู้พิทักษ์แห่งพลัง (โบซอน) คือโฟตอนและกลูออน ทฤษฎีสมมาตรยิ่งยวดบอกว่าเฟอร์มิออนและโบซอนสามารถแปลงร่างเป็นกันและกันได้

ทฤษฎีทำนายระบุว่าสำหรับทุกอนุภาคที่เรารู้ ยังมีอนุภาคที่เกี่ยวข้องซึ่งเรายังไม่ได้ค้นพบ ตัวอย่างเช่น สำหรับอิเล็กตรอน มันคือซีเลกตรอน ควาร์กคือสควาร์ก โฟตอนคือโฟติโน และฮิกส์คือฮิกซิโน

ทำไมเราไม่สังเกตสมมาตรยิ่งยวดนี้ในจักรวาลตอนนี้ล่ะ? นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าพวกมันหนักกว่าลูกพี่ลูกน้องทั่วไปมากและยิ่งหนักมากเท่าไหร่อายุขัยก็จะสั้นลงเท่านั้น ที่จริงแล้วพวกมันเริ่มพังทลายทันทีที่พวกมันเกิดขึ้น การสร้างสมมาตรยิ่งยวดต้องใช้พลังงานค่อนข้างมาก ซึ่งมีอยู่เพียงไม่นานหลังเกิดบิ๊กแบง และอาจสร้างขึ้นได้ในเครื่องเร่งความเร็วขนาดใหญ่ เช่น เครื่องชนแฮดรอนขนาดใหญ่

สำหรับสาเหตุที่ความสมมาตรเกิดขึ้น นักฟิสิกส์ตั้งทฤษฎีว่าความสมมาตรนั้นอาจแตกหักไปในส่วนที่ซ่อนอยู่บางส่วนของจักรวาลซึ่งเราไม่สามารถมองเห็นหรือสัมผัสได้ แต่รู้สึกได้เพียงแรงโน้มถ่วงเท่านั้น

นิวตริโน

นิวตริโนเป็นอนุภาคย่อยของอะตอมเบาที่ส่งเสียงหวีดหวิวทุกที่ด้วยความเร็วใกล้แสง ในความเป็นจริง นิวทริโนหลายล้านล้านตัวกำลังไหลผ่านร่างกายของคุณได้ตลอดเวลา แม้ว่าพวกมันจะไม่ค่อยมีปฏิกิริยากับสสารปกติก็ตาม

บางชนิดเกิดจากดวงอาทิตย์ ในขณะที่บางชนิดมาจากรังสีคอสมิกที่มีปฏิสัมพันธ์กับชั้นบรรยากาศของโลกและแหล่งกำเนิดทางดาราศาสตร์ เช่น ดาวฤกษ์ที่ระเบิดในทางช้างเผือกและกาแลคซีห่างไกลอื่นๆ

ปฏิสสาร

อนุภาคปกติทั้งหมดคิดว่ามีปฏิสสารที่มีมวลเท่ากัน แต่มีประจุตรงกันข้าม เมื่อสสารมาเจอกันก็ทำลายกัน ตัวอย่างเช่น อนุภาคปฏิสสารของโปรตอนคือแอนติโปรตอน ในขณะที่คู่ปฏิสสารของอิเล็กตรอนเรียกว่าโพซิตรอน ปฏิสสารเป็นหนึ่งในสารที่มีราคาแพงที่สุดในโลกที่ผู้คนสามารถระบุได้

กราวิตอน

ในสาขากลศาสตร์ควอนตัม แรงพื้นฐานทั้งหมดถูกส่งผ่านโดยอนุภาค ตัวอย่างเช่น แสงประกอบด้วยอนุภาคไร้มวลที่เรียกว่าโฟตอน ซึ่งมีแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ในทำนองเดียวกัน Graviton ก็เป็นอนุภาคทางทฤษฎีที่แบกแรงโน้มถ่วง นักวิทยาศาสตร์ยังไม่ได้ตรวจพบแรงโน้มถ่วงซึ่งหาได้ยากเนื่องจากพวกมันมีปฏิกิริยากับสสารได้อ่อนมาก

กระทู้แห่งพลังงาน

ในการทดลอง อนุภาคขนาดเล็ก เช่น ควาร์กและอิเล็กตรอนทำหน้าที่เป็นจุดเดียวของสสารโดยไม่มีการกระจายเชิงพื้นที่ แต่วัตถุชี้ทำให้กฎของฟิสิกส์ซับซ้อนขึ้น เนื่องจากเป็นไปไม่ได้ที่จะเข้าใกล้จุดหนึ่งอย่างไม่มีที่สิ้นสุด เนื่องจากแรงกระทำอาจมีขนาดใหญ่อย่างไม่สิ้นสุด

แนวคิดที่เรียกว่าทฤษฎีสายเหนือสามารถแก้ปัญหานี้ได้ ทฤษฎีระบุว่าอนุภาคทั้งหมดแทนที่จะเป็นพลังงานที่มีปลายแหลม จริงๆ แล้วกลับกลายเป็นเส้นด้ายพลังงานเล็กๆ นั่นคือวัตถุทั้งหมดในโลกของเราประกอบด้วยเส้นด้ายและเยื่อหุ้มพลังงานที่สั่นสะเทือน ไม่มีสิ่งใดที่จะอยู่ใกล้กับเธรดได้อย่างไม่มีที่สิ้นสุด เพราะส่วนหนึ่งจะอยู่ใกล้กว่าอีกส่วนหนึ่งเสมอ "ช่องโหว่" นี้ดูเหมือนจะแก้ปัญหาบางอย่างได้อย่างไม่มีที่สิ้นสุด ทำให้แนวคิดนี้น่าสนใจสำหรับนักฟิสิกส์ อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์ยังไม่มีหลักฐานเชิงทดลองว่าทฤษฎีสตริงถูกต้อง

อีกวิธีในการแก้ปัญหาจุดคือการบอกว่าอวกาศนั้นไม่ต่อเนื่องและราบรื่น แต่จริงๆ แล้วประกอบด้วยพิกเซลหรือเกรนที่แยกจากกัน บางครั้งเรียกว่าโครงสร้างอวกาศ-เวลา ในกรณีนี้ อนุภาคทั้งสองจะไม่สามารถเข้าใกล้กันได้อย่างไม่มีกำหนด เนื่องจากจะต้องแยกจากกันด้วยขนาดเกรนของพื้นที่ขั้นต่ำเสมอ

จุดหลุมดำ

คู่แข่งอีกรายหนึ่งสำหรับตำแหน่งอนุภาคที่เล็กที่สุดในจักรวาลก็คือภาวะเอกฐาน (จุดเดียว) ที่ใจกลางหลุมดำ หลุมดำก่อตัวขึ้นเมื่อสสารควบแน่นในพื้นที่ที่มีขนาดเล็กพอที่จะดึงดูดแรงโน้มถ่วง ส่งผลให้สสารถูกดึงเข้าด้านใน และในที่สุดก็ควบแน่นเป็นจุดเดียวที่มีความหนาแน่นไม่สิ้นสุด อย่างน้อยตามกฎฟิสิกส์ปัจจุบัน

แต่ผู้เชี่ยวชาญส่วนใหญ่ไม่คิดว่าหลุมดำมีความหนาแน่นเหลือล้นอย่างแท้จริง พวกเขาเชื่อว่าความไม่มีที่สิ้นสุดนี้เป็นผลมาจากความขัดแย้งภายในระหว่างสองทฤษฎีปัจจุบัน - ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและกลศาสตร์ควอนตัม พวกเขาแนะนำว่าเมื่อสามารถกำหนดทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัมได้ ธรรมชาติที่แท้จริงของหลุมดำก็จะถูกเปิดเผย

ความยาวพลังค์

เส้นใยพลังงานและแม้แต่อนุภาคที่เล็กที่สุดในจักรวาลอาจมีขนาดเท่ากับ "ความยาวของพลังค์"

ความยาวของแท่งคือ 1.6 x 10 -35 เมตร (หมายเลข 16 นำหน้าด้วยศูนย์ 34 ตัวและจุดทศนิยม) ซึ่งเป็นมาตราส่วนขนาดเล็กที่ไม่อาจเข้าใจได้ซึ่งเกี่ยวข้องกับแง่มุมต่าง ๆ ของฟิสิกส์

ความยาวของพลังค์เป็น "หน่วยธรรมชาติ" ของความยาวที่เสนอโดย Max Planck นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน

ความยาวของพลังค์สั้นเกินไปสำหรับเครื่องมือใดๆ ที่จะวัด แต่นอกเหนือจากนี้ เชื่อกันว่าแสดงถึงขีดจำกัดทางทฤษฎีของความยาวที่วัดได้สั้นที่สุด ตามหลักการความไม่แน่นอน ไม่มีเครื่องมือใดที่สามารถวัดสิ่งที่น้อยกว่านี้ได้ เนื่องจากในช่วงนี้ จักรวาลมีความน่าจะเป็นและไม่แน่นอน

มาตราส่วนนี้ยังถือเป็นเส้นแบ่งระหว่างทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปกับกลศาสตร์ควอนตัมอีกด้วย

ความยาวของพลังค์สอดคล้องกับระยะทางที่สนามโน้มถ่วงแรงมากจนสามารถเริ่มสร้างหลุมดำจากพลังงานของสนามได้

เห็นได้ชัดว่าขณะนี้อนุภาคที่เล็กที่สุดในจักรวาลมีขนาดประมาณแผ่นกระดาน: 1.6 x 10 −35 เมตร

ข้อสรุป

จากโรงเรียนเป็นที่รู้กันว่าอนุภาคที่เล็กที่สุดในจักรวาลคืออิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบและมีมวลน้อยมากเท่ากับ 9.109 x 10 - 31 กก. และรัศมีคลาสสิกของอิเล็กตรอนคือ 2.82 x 10 -15 ม.

อย่างไรก็ตาม นักฟิสิกส์กำลังทำงานกับอนุภาคที่เล็กที่สุดในจักรวาลอยู่แล้ว ซึ่งมีขนาดเท่ากับพลังค์ ซึ่งมีขนาดประมาณ 1.6 x 10 −35 เมตร

คุณสมบัติหลักอย่างหนึ่งของอนุภาคคือความสามารถในการแปลงร่างซึ่งกันและกัน เกิดและทำลายอันเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์
การค้นพบโพซิตรอนซึ่งเป็นอนุภาคที่มีลักษณะคล้ายกับอิเล็กตรอนแต่ต่างจากอิเล็กตรอนตรงที่มีประจุเป็นหน่วยบวก ถือเป็นเหตุการณ์ที่สำคัญอย่างยิ่งในวิชาฟิสิกส์ ย้อนกลับไปในปี 1928 P. Dirac เสนอสมการเพื่ออธิบายกลศาสตร์ควอนตัมเชิงสัมพันธ์ของอิเล็กตรอน ปรากฎว่าสมการดิแรกมีสองคำตอบ ทั้งที่มีพลังงานบวกและลบ สถานะพลังงานลบอธิบายอนุภาคที่คล้ายกับอิเล็กตรอน แต่มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก โพซิตรอนเป็นอนุภาคแรกที่ค้นพบจากอนุภาคทั้งหมดที่เรียกว่าปฏิอนุภาค ก่อนการค้นพบโพซิตรอน บทบาทที่ไม่เท่าเทียมกันของประจุบวกและประจุลบในธรรมชาติดูเหมือนจะอธิบายไม่ได้ เหตุใดจึงมีโปรตอนที่มีประจุบวกหนัก แต่ไม่มีอนุภาคหนักซึ่งมีมวลของโปรตอนและมีประจุลบ แต่มีอิเล็กตรอนที่มีประจุลบเบาอยู่ การค้นพบโพซิตรอนในปี พ.ศ. 2475 ช่วยฟื้นฟูความสมมาตรของประจุสำหรับอนุภาคแสง และนักฟิสิกส์ต้องเผชิญกับปัญหาในการค้นหาปฏิภาคของโปรตอน สิ่งที่น่าประหลาดใจอีกประการหนึ่งคือโพซิตรอนเป็นอนุภาคที่เสถียรและสามารถดำรงอยู่ในพื้นที่ว่างได้อย่างไม่มีกำหนด อย่างไรก็ตาม เมื่ออิเล็กตรอนและโพซิตรอนชนกัน พวกมันจะทำลายล้าง อิเล็กตรอนและโพซิตรอนหายไป และแทนที่จะเป็นสองควอนตัม γ เกิดขึ้น

อี + + อี - → 2γ

ม.(อี -) = ม.(อี +) = 0.511 MeV

มีการเปลี่ยนแปลงของอนุภาคที่มีมวลนิ่งแตกต่างจากศูนย์ไปเป็นอนุภาคที่มีมวลนิ่งเป็นศูนย์ (โฟตอน) กล่าวคือ มวลที่เหลือจะไม่ได้รับการอนุรักษ์ไว้ แต่จะถูกแปลงเป็นพลังงานจลน์
นอกจากกระบวนการทำลายล้างแล้ว ยังมีการค้นพบกระบวนการสร้างคู่อิเล็กตรอน-โพซิตรอนอีกด้วย คู่อิเล็กตรอน-โพซิตรอนถูกสร้างได้อย่างง่ายดายโดย -ควอนตัมซึ่งมีพลังงานประมาณ MeV หลายตัวในสนามคูลอมบ์ของนิวเคลียสของอะตอม ในฟิสิกส์คลาสสิก แนวคิดเรื่องอนุภาคและคลื่นมีความแตกต่างกันอย่างมาก วัตถุทางกายภาพบางชนิดเป็นอนุภาค ในขณะที่วัตถุอื่นๆ เป็นคลื่น การเปลี่ยนคู่อิเล็กตรอน-โพซิตรอนไปเป็นโฟตอนเป็นการยืนยันเพิ่มเติมถึงแนวคิดที่ว่ารังสีกับสสารมีความเหมือนกันมาก กระบวนการทำลายล้างและการกำเนิดของคู่บังคับให้เราคิดใหม่ว่าอนุภาคซึ่งก่อนหน้านี้เรียกว่าอนุภาคคืออะไร อนุภาคได้หยุดเป็น "อิฐ" ที่ไม่เปลี่ยนแปลงในโครงสร้างของสสาร แนวคิดใหม่ที่ลึกซึ้งอย่างยิ่งเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงร่วมกันของอนุภาคได้เกิดขึ้นแล้ว ปรากฎว่าอนุภาคสามารถเกิดและหายไปและกลายเป็นอนุภาคอื่นได้
ในทฤษฎีการสลายตัวที่สร้างโดย E. Fermi แสดงให้เห็นว่าอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาในระหว่างกระบวนการสลายไม่มีอยู่ในนิวเคลียส แต่เกิดจากการสลายนิวตรอน ผลจากการสลายตัวนี้ นิวตรอน n หายไป และโปรตอน p, อิเล็กตรอน e - และอิเล็กตรอนแอนตินิวตริโน e ถือกำเนิดขึ้น

n p + e - + e

ม.(n) = 939.6 MeV. ม.(พี) = 938.3 เมกะโวลต์ ม(อี) = ? τ(น) = 887ค.

อันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาระหว่างแอนติโปรตอนและโปรตอน p ขึ้นอยู่กับพลังงานของอนุภาคที่ชนกัน อนุภาคต่างๆ จึงสามารถเกิดขึ้นได้

พี+	→ n + + π + + π -	ม() = ม(พี), ม() = ม(n) ม.(π +) = ม.(π -) = 140 MeV τ (π +) = τ (π -) = 2.6∙ 10 -8 วิ
	→π + + π - + π 0
	→ เค + + เค -

K + เมสันที่มีประจุบวก ซึ่งมีอายุเฉลี่ย 1.2∙10 -8 วินาที จะสลายตัวด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งต่อไปนี้ (ความน่าจะเป็นสัมพัทธ์ของการสลายตัวจะแสดงทางด้านขวา

Λ -ไฮเปอร์รอน และ Δ 0 -เรโซแนนซ์มีมวลเท่ากันโดยประมาณและสลายตัวเป็นอนุภาคเดียวกัน - โปรตอนและ π - มีซอน ความแตกต่างอย่างมากในช่วงชีวิตของพวกเขาเกิดจากกลไกการสลายตัว Λ -ไฮเปอร์รอนสลายตัวอันเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ และ Δ 0 -เสียงสะท้อน - อันเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรง

Λ → พี + ​​π	ม.(Λ ) = 1116 MeV. τ (Λ ) = 2.6∙ 10 -10 วิ
Δ 0 → พี + ​​π	ม.(Δ ) = 1232 MeV. τ(Δ) = 10 -23 วิ

ในระหว่างการสลายตัวของมิวออนที่เป็นลบ (-) ในสถานะสุดท้าย อนุภาคที่เป็นกลางสองตัวจะปรากฏขึ้นพร้อมกับอิเล็กตรอน นั่นคือมิวออนนิวตริโน ν μ และอิเล็กตรอนแอนตินิวตริโนอี การสลายตัวนี้เกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ