Какво разкрива малкият електрон за структурите на Вселената
Каква е формата на електрона? Ако си спомним илюстрациите от учебните учебници, то отговорът е напълно елементарен: сфера с негативен заряд, която е по-малка от атома. Само че това е прекомерно надалеч от истината.
Електронът е добре прочут като един от главните съставни елементи на атомите от действителния свят към нас. Именно електроните, обкръжаващи ядрото на всеки атом, дефинират протичането на химическите реакции. Тяхното потребление в индустрията е необятно публикувано: от електрониката и заваряването до образуването на изображенията и актуалните ускорители на частици. Но извършеният наскоро физичен опит с име ACME (Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment (Подобрен леден молекулярен електрон с диполен момент), сложи електрона в центъра на огромно научно проучване. Въпросът на който трябваше да отговори ACME бе лъжливо елементарен: каква е формата на електрона?
Класически и квантови форми
Към сегашен ден физиците знаят, че електроните нямат вътрешна конструкция и затова, нямат форма в класическото значение на тази дума. На актуалния език на физиката на обикновените частици, в която се преглежда държанието на обектите, по-малки от атомното ядро, фундаменталните блокове на материята са непрекъснати течнообразни „квантови полета“, които пронизват цялото пространство. На този език електронът се възприема като квант или парченце от „електронното поле“. След като знаем това, има ли смисъл да приказваме за формата на електрона, в случай че не можем да го забележим благодарение на мощен микроскоп или някакво друго сходно устройство?
За да отговорим на този елементарен на пръв взор въпрос, би трябвало да приспособяваме нашето определение за формата, с цел да можем да го използваме при необикновено дребните мащаби или с други думи, в региона на квантовата физика. Да виждаме другите обекти в нашия макроскопичен свят значи да открием лъчите светлина, отразяващи се от обектите към нас.
По-просто казано, ние дефинираме формата на обектите като следим по какъв начин са осветени. Това може да наподобява малко чудноват метод за установяване формата на един обект, само че той е изключително потребен в субатомния свят на обикновените частици. Същият способ дава опция да се дефинира формата на електрона, сходно на метода по който дефинираме предметите в класическия макросвят.
Но какво да използваме в микросвета? Светлината е композиция от променливи електрически и магнитни полета и би били забавно да открием квантовите свойства на електрона, които дават информация за неговата реакция на сходни електромагнитни полета. Да го създадем.
Електроните в електрическото и магнитното поле
Нека като образец разгледаме главното свойство на електрона: неговият електрически заряд. Той разказва силата и в последна сметка ускорението, което би изпитал електронът, в случай че бъде поместен във външно електрическо поле. Това свойство на електрона се резервира и в квантовия свят.
Другото главно свойство на електрона е неговият магнитен диполен миг. Той демонстрира по какъв метод реагира електронът на външното магнитно поле. В това отношение електронът има държание на дребен магнит, който се пробва да бъде насочен по отношение на направлението на магнитното поле. Важно е да се разбере, че това са единствено аналогии, в които не е належащо да се задълбочаваме изключително. Те просто ни дават опция да разберем, за какво физиците са толкоз заинтригувани в измерването на тези квантови свойства с оптимално допустима акуратност.
Кое квантово свойство разказва формата на електрона? Всъщност, те са няколко. Най-лесното за схващане и най-полезното за физиците свойство е електрическият диполен миг или ЕДМ.
В класическата физика, ЕДМ поражда при разпределението на зарядите в пространството. Грубо казано, това е векторът, съединяващ най-отрицателния център с най-положителния център. Електрически заредената сфера, в която липсва систематизиране на зарядите е с ЕДМ еднакъв на нула. Но дано си представим гира, двете кълба на която са заредени противоположно: едната страна е с позитивен заряд, а другата – с негативен. В микросвета, тази гира има ненулев електрически диполен миг. Ако формата на обекта се отразява на разпределението на електрическия заряд, то това ще значи, че формата на точно този обект не е сферична. Очевидно е, че ЕДМ може да се употребява за установяване формите на макроскопичните обекти.
Електрическият диполен миг в квантовия свят
В квантовия свят определянето на ЕДМ е доста по-трудно. В микросвета, пространството към електрона не е пусто и не е неподвижно. То е запълнено с най-различни субатомни частици, които за напълно къси промеждутъци от време съществуват виртуално.
Тези виртуални частици образуват нещо като „облак“ към електрона. Ако насочим светлина към електрона, част от нея може да се отрази във виртуалните частици в облака, а не от самия електрон. Но това ще промени равнището на заряда, магнитния и електрическия диполни моменти. Изключително точните измервания на тези квантови свойства ще ни покажат, какво е държанието на тези неуловими виртуални частици, когато взаимодействат с електрона, и дали и по какъв начин трансформират неговия ЕДМ.
Най-интересното е, че измежду тези виртуални частици може да има нови, незнайни за нас типове, с които към момента не сме се сблъсквали. За да видим тяхното въздействие на електрическия диполен миг на електрона, би трябвало да съпоставим резултатите от измерванията с теоретичните пресмятания на размера на ЕДМ, осъществени в сходство с признатата към сегашен ден доктрина за Вселената или Стандартния модел.
Досега общоприетият модел напълно тъкмо описваше всички лабораторни измервания, провеждани до момента. Но не може да даде отговор на някои от най-фундаменталните въпроси – да вземем за пример, за какво материята господства над антиматерията в цялата Вселена. И още, Стандартният модел предсказва толкоз дребен размер на електрона, че опитът ACME няма никакви шансове да го мери. Но какво би станало, в случай че ACME успее да записва ненулево значение за електрическия диполен миг на електрона?
Запълваме празнините в Стандартния модел
Предложени бяха нови теоретични модели, които запълват минусите на Стандартния модел, предсказвайки нови тежки частици. Тези модели биха могли да запълнят празнините в нашето схващане за Вселената. За да проверим тези модели, би трябвало да потвърдим съществуването на тези нови тежки частици. Това може да се направи благодарение на комплицирани опити, като да вземем за пример научните опити в Големия адронен колайдер, при които при сблъска на високоенергийни обикновени частици се образуват нови частици.
Като опция, бихме могли да забележим по какъв метод новите частици трансформират заряда в „облака“ и тяхното въздействие на ЕДМ на електрона. По този метод, чрез наблюдението и измерването на диполния миг на електрона в опита ACME, биха потвърдили съществуването на новите частици . Именно това е задачата на опита ACME.
Какво би трябвало да се направи, с цел да се мери електрическия диполен миг? Необходим е източник на доста мощно електрическо поле, с цел да се ревизира реакцията на електрона на неговото влияние. Един от вероятните източници на сходни мощни електрически полета са молекулите, като да вземем за пример ториевия оксид. Именно тази молекула бе употребена в опита ACME. Чрез осветление на тези молекули със особено настроени лазери, може да се разбере смисъла на електрическия диполен миг на електрона, стига той да не е прекомерно дребен.
Но се оказа, че той в действителност е прекомерно дребен. Физиците от ACME не записаха електрическия диполен миг на електрона. Това подсказва, че неговата големина е прекомерно дребна, с цел да може днешният пробен уред да го открие и мери. Този факт има голямо значение за нашето схващане, какво можем да чакаме от опитите с Големия адронен колайдер в близкото бъдеще.
Още по-интересно е, че щом ACME не съумя да открие ЕДМ на електрона, то това в действителност изключва съществуването на нови тежки частици благодарение на колайдера. Това е превъзходен резултат за един не доста комплициран опит, който оказа помощ при планирането на търсенето на нови частици благодарение на Големия адронен колайдер, както и на метода, по който построяваме теориите, описващи природата на частиците. Учудващо е, по какъв начин нещо толкоз малко, като електрона, може да ни разкрие толкоз доста за Вселената.
Alexey Petrov: What a Tiny Electron Reveals About the Structure of the Universe
Електронът е добре прочут като един от главните съставни елементи на атомите от действителния свят към нас. Именно електроните, обкръжаващи ядрото на всеки атом, дефинират протичането на химическите реакции. Тяхното потребление в индустрията е необятно публикувано: от електрониката и заваряването до образуването на изображенията и актуалните ускорители на частици. Но извършеният наскоро физичен опит с име ACME (Advanced Cold Molecule Electron Electric Dipole Moment (Подобрен леден молекулярен електрон с диполен момент), сложи електрона в центъра на огромно научно проучване. Въпросът на който трябваше да отговори ACME бе лъжливо елементарен: каква е формата на електрона?
Класически и квантови форми
Към сегашен ден физиците знаят, че електроните нямат вътрешна конструкция и затова, нямат форма в класическото значение на тази дума. На актуалния език на физиката на обикновените частици, в която се преглежда държанието на обектите, по-малки от атомното ядро, фундаменталните блокове на материята са непрекъснати течнообразни „квантови полета“, които пронизват цялото пространство. На този език електронът се възприема като квант или парченце от „електронното поле“. След като знаем това, има ли смисъл да приказваме за формата на електрона, в случай че не можем да го забележим благодарение на мощен микроскоп или някакво друго сходно устройство?
За да отговорим на този елементарен на пръв взор въпрос, би трябвало да приспособяваме нашето определение за формата, с цел да можем да го използваме при необикновено дребните мащаби или с други думи, в региона на квантовата физика. Да виждаме другите обекти в нашия макроскопичен свят значи да открием лъчите светлина, отразяващи се от обектите към нас.
По-просто казано, ние дефинираме формата на обектите като следим по какъв начин са осветени. Това може да наподобява малко чудноват метод за установяване формата на един обект, само че той е изключително потребен в субатомния свят на обикновените частици. Същият способ дава опция да се дефинира формата на електрона, сходно на метода по който дефинираме предметите в класическия макросвят.
Но какво да използваме в микросвета? Светлината е композиция от променливи електрически и магнитни полета и би били забавно да открием квантовите свойства на електрона, които дават информация за неговата реакция на сходни електромагнитни полета. Да го създадем.
Електроните в електрическото и магнитното поле
Нека като образец разгледаме главното свойство на електрона: неговият електрически заряд. Той разказва силата и в последна сметка ускорението, което би изпитал електронът, в случай че бъде поместен във външно електрическо поле. Това свойство на електрона се резервира и в квантовия свят.
Другото главно свойство на електрона е неговият магнитен диполен миг. Той демонстрира по какъв метод реагира електронът на външното магнитно поле. В това отношение електронът има държание на дребен магнит, който се пробва да бъде насочен по отношение на направлението на магнитното поле. Важно е да се разбере, че това са единствено аналогии, в които не е належащо да се задълбочаваме изключително. Те просто ни дават опция да разберем, за какво физиците са толкоз заинтригувани в измерването на тези квантови свойства с оптимално допустима акуратност.
Кое квантово свойство разказва формата на електрона? Всъщност, те са няколко. Най-лесното за схващане и най-полезното за физиците свойство е електрическият диполен миг или ЕДМ.
В класическата физика, ЕДМ поражда при разпределението на зарядите в пространството. Грубо казано, това е векторът, съединяващ най-отрицателния център с най-положителния център. Електрически заредената сфера, в която липсва систематизиране на зарядите е с ЕДМ еднакъв на нула. Но дано си представим гира, двете кълба на която са заредени противоположно: едната страна е с позитивен заряд, а другата – с негативен. В микросвета, тази гира има ненулев електрически диполен миг. Ако формата на обекта се отразява на разпределението на електрическия заряд, то това ще значи, че формата на точно този обект не е сферична. Очевидно е, че ЕДМ може да се употребява за установяване формите на макроскопичните обекти.
Електрическият диполен миг в квантовия свят
В квантовия свят определянето на ЕДМ е доста по-трудно. В микросвета, пространството към електрона не е пусто и не е неподвижно. То е запълнено с най-различни субатомни частици, които за напълно къси промеждутъци от време съществуват виртуално.
Тези виртуални частици образуват нещо като „облак“ към електрона. Ако насочим светлина към електрона, част от нея може да се отрази във виртуалните частици в облака, а не от самия електрон. Но това ще промени равнището на заряда, магнитния и електрическия диполни моменти. Изключително точните измервания на тези квантови свойства ще ни покажат, какво е държанието на тези неуловими виртуални частици, когато взаимодействат с електрона, и дали и по какъв начин трансформират неговия ЕДМ.
Най-интересното е, че измежду тези виртуални частици може да има нови, незнайни за нас типове, с които към момента не сме се сблъсквали. За да видим тяхното въздействие на електрическия диполен миг на електрона, би трябвало да съпоставим резултатите от измерванията с теоретичните пресмятания на размера на ЕДМ, осъществени в сходство с признатата към сегашен ден доктрина за Вселената или Стандартния модел.
Досега общоприетият модел напълно тъкмо описваше всички лабораторни измервания, провеждани до момента. Но не може да даде отговор на някои от най-фундаменталните въпроси – да вземем за пример, за какво материята господства над антиматерията в цялата Вселена. И още, Стандартният модел предсказва толкоз дребен размер на електрона, че опитът ACME няма никакви шансове да го мери. Но какво би станало, в случай че ACME успее да записва ненулево значение за електрическия диполен миг на електрона?
Запълваме празнините в Стандартния модел
Предложени бяха нови теоретични модели, които запълват минусите на Стандартния модел, предсказвайки нови тежки частици. Тези модели биха могли да запълнят празнините в нашето схващане за Вселената. За да проверим тези модели, би трябвало да потвърдим съществуването на тези нови тежки частици. Това може да се направи благодарение на комплицирани опити, като да вземем за пример научните опити в Големия адронен колайдер, при които при сблъска на високоенергийни обикновени частици се образуват нови частици.
Като опция, бихме могли да забележим по какъв метод новите частици трансформират заряда в „облака“ и тяхното въздействие на ЕДМ на електрона. По този метод, чрез наблюдението и измерването на диполния миг на електрона в опита ACME, биха потвърдили съществуването на новите частици . Именно това е задачата на опита ACME.
Какво би трябвало да се направи, с цел да се мери електрическия диполен миг? Необходим е източник на доста мощно електрическо поле, с цел да се ревизира реакцията на електрона на неговото влияние. Един от вероятните източници на сходни мощни електрически полета са молекулите, като да вземем за пример ториевия оксид. Именно тази молекула бе употребена в опита ACME. Чрез осветление на тези молекули със особено настроени лазери, може да се разбере смисъла на електрическия диполен миг на електрона, стига той да не е прекомерно дребен.
Но се оказа, че той в действителност е прекомерно дребен. Физиците от ACME не записаха електрическия диполен миг на електрона. Това подсказва, че неговата големина е прекомерно дребна, с цел да може днешният пробен уред да го открие и мери. Този факт има голямо значение за нашето схващане, какво можем да чакаме от опитите с Големия адронен колайдер в близкото бъдеще.
Още по-интересно е, че щом ACME не съумя да открие ЕДМ на електрона, то това в действителност изключва съществуването на нови тежки частици благодарение на колайдера. Това е превъзходен резултат за един не доста комплициран опит, който оказа помощ при планирането на търсенето на нови частици благодарение на Големия адронен колайдер, както и на метода, по който построяваме теориите, описващи природата на частиците. Учудващо е, по какъв начин нещо толкоз малко, като електрона, може да ни разкрие толкоз доста за Вселената.
Alexey Petrov: What a Tiny Electron Reveals About the Structure of the Universe
Източник: kaldata.com
КОМЕНТАРИ