10 teoretiske partikler, der kunne forklare alt

I årevis har menneskeheden gravet ind i mysterierne omkring universets nøjagtige sammensætning. Gamle grækere var de første til at overbevise tilstedeværelsen af ​​atomer, som de troede at være de mindste partikler i universet - "byggestenene" af alting. I omkring 1.500 år var det det, vi vidste om materiel. Derefter forlod opdagelsen af ​​elektronen i 1897 den videnskabelige verden i en shambles. Ligesom molekyler blev lavet af atomer, syntes atomerne at have deres egne ingredienser.

Og jo dybere vi så, jo mere syntes svarene at flyde gennem fingerspidserne, altid uden for rækkevidde. Selv protoner og neutroner - atomenes byggesten - er lavet af stadig mindre stykker kaldet kvarker. Hver opdagelse synes bare at rejse flere spørgsmål. Er tid og rum bare bundter og klynger af små ladede krummer for små til selv at se? Måske - men så igen kunne disse ti teoretiske partikler forklare alt. Hvis vi faktisk kunne finde dem:

10

strangelets

Lad os begynde med noget, der er tættest på det, vi allerede kender quarks. Der er mere end en type kvark: seks, for at være præcis. "Up" og "down" quarks er de mest almindelige typer, og disse er hvad der indbygger i protoner og neutroner af atomer. "Strange" kvarker er derimod ikke så almindelige. Når mærkelige kvarker kombinerer med op og ned kvarker i lige antal, skaber de en partikel kaldet en strangelet, og strangelets er de sparsomme fragmenter, som bygger op underligt stof.

Nu er strangler skabt i naturen, når en massiv neutronstjerne - en højmassekollapset stjerne - bygger så meget pres, at elektronerne og protonerne i kernen smelter sammen og derefter kollapser yderligere i form af en tæt quark boble, som vi kalder mærkeligt sagen. Og da store strengler kan teoretisk eksistere uden for de højtrykscenter-of-a-star miljøer, er det sandsynligt, at de har floppet væk fra disse stjerner og ind i andre solsystemer - herunder vores egne.

Og det er her, hvor det bliver vanvittigt. Hvis disse ting eksisterede, ville en stor strangelet kunne omdanne et atoms kerne til en anden strangel ved at kollidere med den. Den nye strangelet kunne så kollidere med flere kerner og omdanne dem til flere strengler i en kædereaktion, indtil alt materien på jorden var blevet omdannet til mærkeligt materiale. Faktisk måtte Large Hadron Collider-faciliteten udgive en pressemeddelelse med angivelse af, at de usandsynligt ville skabe strangler, der kunne ødelægge planeten. Det er så alvorligt, at det videnskabelige samfund tager spørgsmålet om strangelets.

9

Sparticles

Teorien om supersymmetri siger, at hver partikel i universet har en modsat tvillingpartikel kendt som en supersymmetrisk partikel eller spartikel. Så for hver kvark derude er der en søster-en squark-som deler perfekt symmetri med den. For hver foton er der en fotino. Og så videre for alle en og enogtreds kendte elementære partikler. Så hvis der er så mange af dem, hvorfor har vi ikke opdaget det nogen af disse sparticles endnu?

Her er teorien: i partikelfysik falder tyngre partikler hurtigere end lettere partikler. Hvis en partikel bliver tung nok, bryder den næsten omgående, når den er oprettet. Så hvis man antager, at spartiklerne er utroligt tunge, vil de bryde ned i blink i øjet, mens deres superpartnere - de partikler vi kan se og observere - fortsætte. Dette kunne også forklare, hvorfor der er så meget noget i universet, men alligevel dyrebart, mørkt materie, fordi spartiklerne kunne omfatte mørkt materiale og eksistere i et felt, der endnu ikke er observerbart.

8

antipartikler

Materiel er lavet af partikler - og på lignende måde fremstilles antimatter af antipartikler. Det er alt fornuftigt, ikke? Antipartikler har samme masse som normale partikler, men en modsat ladning og et modsat vinkelmoment (spin). Det lyder som supersymmetri teorien, men i modsætning til partikler opfører antipartikler sig ligesom partikler - endda bygger på anti-elementer, som antihydrogen. Dybest set har alt stof tilsvarende antimatter.

Eller i det mindste bør det. Det er problemet - der er masser af sager rundt, men antimatteren viser sig ikke rigtig overalt. (Bortset fra den store Hadron Collider-fuld offentliggørelse, er antipartikler blevet fundet og er ikke længere teoretiske).

Under Big Bang skulle der have været lige mange partikler og antipartikler. Tanken er, at alt stof i universet blev skabt på det tidspunkt. Så som standard måtte alle antimaterter oprettes på samme tid. En teori er, at der er andre dele af universet domineret af antimatter. Alt vi kan se, selv de fjerneste stjerner, er for det meste noget. Men vores synlige univers kunne kun være et lille afsnit af universet, mens antimatterplaneter og soler og galakser sværmer i en anden sfære af universet, som modsatte ladede elektroner og protoner, der drejer rundt om hinanden i et atom.

7

gravitoner

Lige nu er antipartikler et stort problem i nuværende partikelfysik teorier. Pas på at høre om et andet problem? Tyngdekraft. Sammenlignet med andre kræfter, som elektromagnetisme, er tyngdekraften svagere end nysen din vej gennem en knytnævekamp. Det ser også ud til at ændre sin karakter ud fra en objektets masse. Tyngdekraften er let at observere i planeter og stjerner, men få det ned til molekylær niveau, og det ser ud til at gøre, hvad det vil. Og i tillæg til alt det har det ikke engang en partikel til at bære den, ligesom fotoner, der bærer lys.

Det er her graviton kommer ind. Graviton er den teoretiske partikel, der ville-sortere-tillade tyngdekraften at passe i samme model som enhver anden observerbar kraft.Fordi tyngdekraft udøver en svag træk på hvert objekt, uanset afstanden, skal det være masseløst. Men det er ikke problemet - fotoner er masseløse, og de er blevet fundet. Vi har gået så langt som at definere de nøjagtige parametre, som en graviton skulle passe ind i, og så snart vi finder en partikel-en hvilken som helst partikel - der matcher disse parametre, får vi en graviton.

At finde det ville være vigtigt, fordi den generelle relativitet og kvantfysik fra nu af er uforenelige. Men på et bestemt præcist energiniveau, kendt som Planck-skalaen, standser tyngdekraften efter relativitetsregler og glider ind i kvanteregler. Så løsning af tyngdekraften problem kunne være nøglen til en samlet teori.

6

Graviphotons

Der er en anden teoretisk gravitationspartikel, og det er helt smukt. Graviphoton er en partikel, der ville blive skabt, når gravitationsfeltet er ophidset i en femte dimension. Det kommer fra Kaluza Klein-teorien, der foreslår, at elektromagnetisme og tyngdekraft kan forenes i en enkelt kraft under forudsætning af, at der er mere end fire dimensioner i rumtid. En graviphoton ville have karakteren af ​​en graviton, men den ville også bære egenskaberne hos en foton og skabe, hvad fysikere kalder en "femte kraft" (der er i øjeblikket fire grundlæggende kræfter).

Andre teorier siger, at en graviphoton ville være en superpartner (som en spartikel) af gravitoner, men at den faktisk ville tiltrække og afvise på samme tid. Ved at gøre det kan gravitoner teoretisk skabe tyngdekraften. Og det er kun i den femte dimension - teorien om supergravitet udgør også eksistensen af ​​graviphotoner, men giver mulighed for elleve dimensioner.

5

Preons

Hvad er quarks lavet af? Lad os først få en ide om skalaen. Kernen i et guldatom har nioghalvfjerds protoner. Hver proton er lavet af tre kvarker. Nu er bredden af ​​det guldatoms kerne omkring otte femtomet på tværs. Det er otte milliontedele af et nanometer, og et nanometer er allerede en milliarddel af en meter. Så lad os bare være enige om, at kvarker er små, og indse at præoner-sub-kvarkpartikler - skal være så uendeligt små, at der ikke er nogen skala nu, som kunne måle deres størrelse.

Der er andre ord brugt til at beskrive de teoretiske byggesten af ​​kvarker, herunder primoner, subquarks, quinks og tweedles, men "preon" er generelt den mest accepterede. Og præoner er vigtige, for lige nu er kvarker en fundamental partikel - de er så lave som du kan gå. Hvis de viste sig at være sammensatte eller lavet af andre stykker, kunne det åbne døren for tusindvis af nye teorier. For eksempel hedder en teori lige nu, at universets undvigende antimatter faktisk er indeholdt i forkanter, og derfor har alt antimaterielstikker låst inde i det. Ifølge denne teori er du selv selv antimateriel - du kan bare ikke se det, fordi sagen er bygget op i større blokke.

4

tachyoner

Intet kommer tættere på at bryde de kendte relativitetslove end en tachyon. Det er en partikel, der bevæger sig hurtigere end lys, og hvis det eksisterede, ville det tyde på, at lysstangsbarrieren er ... ja, ikke længere en barriere. Faktisk ville det betyde, at den hastighed, vi kender til, da lysets hastighed ville være midtpunktet - ligesom normale partikler kan bevæge sig uendeligt langsomt (slet ikke flytte), ville en tachyon på den anden side af barrieren være kunne flytte uendeligt hurtigt.

Bizarre vil deres forhold til lysets hastighed afspejles. For at sige det, når en normal partikel fremskynder, øges energibehovet. For faktisk at bryde gennem lightspeedbarrieren vil dens energibehov stige til uendelig-det ville have brug for uendelig energi. For en tachyon, jo langsommere går den, jo mere energi har den brug for. Da det sænker og nærmer sig lysets hastighed fra den anden side, bliver dens energibehov uendelig. Men når det går hurtigt, falder energibehovet, indtil det slet ikke har nogen energi at bevæge sig i uendelig hastighed.

Tænk på det som en magnet - du har en magnet tapet på en væg og en anden i din hånd. Når du skubber din magnet mod væggen med polerne justeret, er din magnet afstødt. Jo tættere du sætter det, desto sværere skal du skubbe. Forestil dig nu på den anden side af væggen er en anden magnet, gør det samme. Vægmagneten er lysets hastighed, og de to magneter er tachyoner og normale partikler. Så selvom tachyoner eksisterede, ville de altid være fanget på den modsatte side af en barriere, som vi selv ikke kan passere. Selvom vi har glemt at nævne, at de teknisk set kunne udnyttes til at sende beskeder til fortiden.

3

Strenge

Næsten alle de partikler, vi har talt om hidtil, kaldes punktpartikler; kvarker og fotoner eksisterer som et enkelt punkt - en lille lille prik, hvis du vil - med nul dimensioner. Stringteori tyder på, at disse elementære partikler slet ikke er punkter - de er strenge, endimensionelle partikelstrenger. Kernteorien er kerne-teori, der er i stand til at eksistere sammen med både tyngdekraften og kvantefysikken (baseret på det, vi ved lige nu, kan de to ikke fysisk eksistere i samme rum - tyngdekraften virker ikke på kvante niveau).

Så i bred forstand er strengteori faktisk en kvantitetsteori. Og til sammenligning vil strings erstatte preons som byggestenene af kvarker, mens på højere niveauer forbliver alt det samme. Og i strengteori kan snoren omdannes til alt baseret på den måde, den er formet på. Hvis strengen er en åben streng, bliver den en foton. Hvis enderne af samme streng forbinder og danner en loop, bliver det en graviton-på samme måde, at det samme træ kan blive enten et hus eller en fløjte.

Der er faktisk flere strengteorier, og interessant, forudsiger hver en forskellig række dimensioner. De fleste af disse teorier angiver, at der er ti eller elleve dimensioner, mens Bosonic strengteori (eller superstrengsteori) kræver mindst seksogtyve. I disse andre dimensioner ville tyngdekraften have en lige eller større styrke end andre grundlæggende kræfter og forklare, hvorfor det er så svagt i vores tre rumlige dimensioner.

2

braner

Hvis du virkelig ønsker en forklaring på tyngdekraften, skal du se på M-teori eller Membranteori. Membraner eller braner er partikler, der kan omfatte flere dimensioner. For eksempel er en 0-bran en punktlignende brane, der eksisterer i nul dimensioner, som en kvark. En 1-bran har en dimension-en streng. En 2-bran er en todimensionel membran og så videre. Højere dimensionelle braner kan have nogen størrelse som fører til teorien om, at vores univers er virkelig en stor brane med fire dimensioner. Den brane - vores univers - er bare et stykke multidimensionelt rum.

Og for tyngdekraften kan vores firedimensionelle brane ikke blot indeholde det, så tyngdekraftens energi lækker ind i andre braner, da det passerer dem i det multidimensionale rum; vi har bare dribblerne af hvad der er tilbage, hvorfor det virker så svagt i forhold til andre kræfter.

Ekstrapolerer det, er det fornuftigt, at der er mange braner, der bevæger sig gennem disse rum-uendelige braner i et uendeligt rum. Og derfra har vi multiverse- og cykliske universsteorier. Sidstnævnte siger, at universet cykler selv: det udvider sig fra Big Bangs energi, så trækker tyngdekraften alt tilbage i det samme rum til Big Crunch. Den kompressionsenergi sætter en anden stor bang ud og hopper universet ind i en anden cyklus som en celle, der blokerer ind i livet og dør derefter.

1

Gud partikel

Higgs boson, mere almindeligt kendt som gudpartiklen, blev foreløbigt fundet den 14. marts 2013 i Large Hadron Collider (9). Som en lille smule baggrund blev Higgs boson først hypotetiseret i 1960'erne som den partikel der giver masse til andre partikler.

Dybest set produceres gudpartiklen i Higgs-feltet og blev foreslået som en måde at forklare, hvorfor nogle partikler, der burde have haft masse, faktisk var masseløse. Higgs-feltet - som aldrig var blevet observeret - skulle eksistere i hele universet og give den nødvendige kraft til partikler til at erhverve deres masse. Og hvis det var sandt, ville det fylde store huller i standardmodellen, som er den grundlæggende forklaring af bogstaveligt alt (undtagen som altid, tyngdekraften).

Higgs boson er afgørende, fordi det viser at Higgs-feltet eksisterer, og forklarer, hvordan energi inden for Higgs-feltet kan manifestere sig som masse. Men det er også vigtigt, fordi det sætter præcedens; før det blev opdaget, var Higgs boson bare en teori. Det havde matematiske modeller, fysiske parametre, der ville tillade det at eksistere, hvordan det skulle spinde alt. Vi har lige ikke haft nogen beviser for dets eksistens overhovedet. Men på grundlag af disse modeller og teorier kunne vi fastslå en bestemt partikel - den mindste ting i det kendte univers - der matchede alt, hvad vi havde hypoteset.

Hvis vi kan gøre det en gang, hvem skal sige, at nogen af ​​disse partikler ikke kunne være virkelige? Tachyons, strangler, gravitons-partikler, der ville flytte alt, hvad vi ved om livet og universet, og bringe os tættere på at forstå fundamenterne i den verden, vi lever i.

Andrew Handley

Andrew er freelance skribent og ejer af den sexede, sexede HandleyNation Content Service. Når han ikke skriver, går han normalt på vandreture eller klatring, eller nyder bare den friske North Carolina-luft.