10 teoretiske partikler som kunne forklare alt

I årevis har menneskeheten grått inn i mysteriene rundt universets eksakte samling. Gamle grekere var de første som overbeviste atomenes eksistens, som de trodde å være de minste partiklene i universet - "byggeklossene" av alt. I omtrent 1500 år var det mest vi visste om saken. Da, i 1897, fant oppdagelsen av elektronen den vitenskapelige verden i en shambles. Akkurat som molekyler ble laget av atomer, syntes atomene å ha sine egne ingredienser.

Og jo dypere vi så, jo mer syntes svarene å flette gjennom fingertuppene, alltid utenfor rekkevidde. Selv protoner og nøytroner-atomponenter av atomer-er laget av stadig mindre stykker kalt kvarker. Hver oppdagelse synes bare å hente flere spørsmål. Er tid og rom bare bunter og klynger med små ladede krummer for små til å se? Kanskje, men igjen, disse ti teoretiske partiklene kunne forklare alt. Hvis vi faktisk kunne finne dem:

10

Strangelets

La oss starte med noe som er nærmest det vi allerede vet-kvarker. Det er mer enn en type kvark: seks, for å være eksakt. "Up" og "down" quarks er de vanligste typene, og disse er det som bygger inn i protoner og nøytroner av atomer. "Strange" kvarker, derimot, er ikke så vanlige. Når merkelige kvarker kombinerer med opp og ned kvarker i likevekt, lager de en partikkel som kalles en strangelet, og strangelets er de sprø fragmentene som bygger inn underlig materie.

Nå, ifølge den merkelige materiehypotesen, er strengler opprettet i naturen når en massiv nøytronstjerne - en høymassekollapset stjerne - bygger så mye press at elektronene og protonene i kjernen smelter sammen, så kollapser videre til en slags tett quark boble, som vi kaller rart saken. Og siden store strengler kan teoretisk eksistere utenfor de høytrykkscentret av en stjerne-miljøer, er det sannsynlig at de har dyttet seg bort fra stjernene og inn i andre solsystemer - inkludert våre egne.

Og det er her det blir gal. Hvis disse tingene eksisterte, ville en stor strangelet kunne omdanne et atoms kjernen til en annen strangelet ved å kollidere med den. Den nye strangelet kunne da kollidere med flere kjerner, omdanne dem til flere strengler i en kjedereaksjon til alt saken på jorden var blitt omgjort til underlig materie. Faktisk måtte Large Hadron Collider-anlegget utgjøre en pressemelding som sier at de ikke var usannsynlig å skape strenger som kunne ødelegge planeten. Det er så alvorlig det vitenskapelige samfunn tar saken om strenger.

9

Sparticles

Teorien om supersymmetri sier at hver partikkel i universet har en motsatt tvillingpartikkel kjent som en supersymmetrisk partikkel eller spartikkel. Så for hver kvark der ute, er det en søster-en squark-som deler perfekt symmetri med den. For hver foton er det en fotograf. Og så videre for alle seksti en kjente elementære partikler. Så hvis det er så mange av dem, hvorfor har vi ikke oppdaget det noen av disse spartiklene ennå?

Her er teorien: i partikkelfysikk, tyngre tyngre partikler raskere enn lettere partikler. Hvis en partikkel blir tung nok, bryter den ned nesten umiddelbart når den er opprettet. Så antar at spartiklene er utrolig tunge, ville de bryte ned i blikket i et øye, mens deres superpartnere - partiklene vi kan se og observere - leve videre. Dette kan også forklare hvorfor det er så mye saken i universet, men likevel verdifullt lite mørkt materie, fordi spartiklene kan omfatte mørk materie og eksistere i et felt som er så langt uoppdagelig.

8

antipartikler

Matter er laget av partikler - og på lignende måte er antimatter laget av antipartikler. Alt dette gir mening, ikke sant? Antiparticles har samme masse som normale partikler, men en motsatt ladning og et motsatt vinkelmoment (spin). Det høres ut som supersymmetri-teorien, men i motsetning til partikler oppfører seg antiparticles akkurat som partikler, og til og med bygger de på anti-elementer, som antihydrogen. I utgangspunktet har alle sager tilsvarende antimateriell.

Eller i det minste bør det. Det er problemet - det er nok av saken rundt, men antimateri viser egentlig ikke noe sted. (Bortsett fra den store Hadron Collider-fullstendig avsløring, har antipartikler blitt funnet og ikke lenger teoretiske).

Under Big Bang burde det vært like mange partikler og antipartikler. Tanken er at alt materie i universet ble opprettet på det tidspunktet. Så som standard måtte all antimatter opprettes samtidig. En teori er at det er andre deler av universet dominert av antimatter. Alt vi kan se, selv de fjerneste stjernene, er for det meste saken. Men vårt synlige univers kan bare være en liten del av universet, mens antimatterplaneter og soler og galakser svirmer i en annen sfære av universet, som motsatt ladede elektroner og protoner som dreier seg om hverandre i et atom.

7

gravitons

Akkurat nå er antipartikler et stort problem i dagens partikkelfysikk teorier. Pass på å høre om et annet problem? Tyngde. Sammenlignet med andre krefter, som elektromagnetisme, er tyngdekraften svakere enn nysing din vei gjennom en knyttnevekamp. Det ser også ut til å endre sin natur basert på massen av en gjenstand - tyngdekraften er lett å observere i planeter og stjerner, men få det ned til molekylivå og det ser ut til å gjøre hva det vil. Og i tillegg til alt det, har den ikke en partikkel til å bære den, som fotonene som bærer lys.

Det er her graviton kommer inn. Graviton er den teoretiske partikkelen som ville-sortere-tillate tyngdekraften å passe i samme modell som alle andre observerbare krefter.Fordi tyngdekraft utøver en svak trekk på hvert objekt, uavhengig av avstand, må det være masse. Men det er ikke problemet - fotoner er masseløse og de har blitt funnet. Vi har gått så langt som å definere de nøyaktige parametrene som en graviton må passe inn i, og så snart vi finner en partikkel-hvilken som helst partikkel-som matcher disse parametrene, har vi en graviton.

Å finne det ville være viktig fordi generelt relativitet og kvantefysikk er uforenlige. Men på et bestemt presist energinivå, kjent som Planck-skalaen, stopper tyngdekraften etter å følge relativitetsregler og glir inn i kvanteregler. Så løse alvorlighetsproblemet kunne være nøkkelen til en enhetlig teori.

6

Graviphotons

Det er en annen teoretisk gravitationspartikkel, og det er helt vakkert. Graviphoton er en partikkel som ville bli opprettet når gravitasjonsfeltet er opphisset i en femte dimensjon. Den kommer fra Kaluza Klein-teorien, som foreslår at elektromagnetisme og tyngdekraften kan forenes til en enkelt kraft under forutsetning av at det er mer enn fire dimensjoner i tidsrom. En graviphoton ville ha karakteristika av en graviton, men den ville også bære egenskapene til en foton og skape hvilke fysikere som kaller en "femte kraft" (det er for øyeblikket fire grunnleggende krefter).

Andre teorier sier at en graviphoton ville være en superpartner (som en spartikkel) av gravitons, men at den faktisk ville tiltrekke seg og avstøte samtidig. Ved å gjøre det kan gravitons teoretisk skape tyngdekraften. Og det er bare i femte dimensjonen - Teorien om supergravitet stiller også eksistensen av graviphotoner, men tillater elleve dimensjoner.

5

Preons

Hva er quarks laget av? Først av alt, la oss få en ide om skalaen. Kjernen til et gullatom har nitti ni protoner. Hver proton er laget av tre kvarker. Nå er bredden på det gullatomets kjernekraft omtrent otte femtometr over. Det er åtte milliontedeler av et nanometer, og et nanometer er allerede en milliarddel av en meter. Så la oss bare være enige om at kvarkene er små og innse at preons-sub-kvarkpartikler - må være så uendelig små at det ikke er noen skala akkurat nå som kan måle størrelsen deres.

Det er andre ord som brukes til å beskrive de teoretiske byggeblokkene av kvarker, inkludert primoner, subquarks, quinks og tweedles, men "preon" er generelt den mest aksepterte. Og preons er viktige fordi nå er kvarker en grunnleggende partikkel - de er så lave som du kan gå. Hvis de ble funnet å være sammensatte eller laget av andre stykker, kunne det åpne døren for tusenvis av nye teorier. For eksempel sier en teori i øyeblikket at universets elusive antimatter faktisk er inneholdt i preons, og derfor har alt biter av antimatter låst inne i det. Ifølge denne teorien er du selv en del antimateriell - du kan bare ikke se det fordi saken stikker inn i større blokker.

4

Tachyons

Ingenting kommer nærmere å bryte de kjente lovene om relativitet enn en takyon. Det er en partikkel som beveger seg raskere enn lys, og hvis den eksisterte, vil det tyde på at lyspærerbarrieren er ... vel, ikke lenger en barriere. Faktisk ville det bety at hastigheten vi kjenner til som lysets hastighet vil være midtpunktet - akkurat som vanlige partikler kan bevege seg uendelig sakte (ikke beveger seg i det hele tatt), ville en takyon som eksisterer på den andre siden av barrieren være kunne bevege seg uendelig raskt.

Bizarre, deres forhold til lysets hastighet vil bli speilet. For å si det enkelt, når en normal partikkel øker, øker energibehovet. For faktisk å bryte gjennom lightspeedbarrieren, vil dens energibehov stige til uendelig-det ville trenge uendelig energi. For en takyon, jo tregere går det, jo mer energi trenger den. Som det bremser og nærmer seg lysets hastighet fra den andre siden, blir dens energibehov uendelig. Men når det går fort, reduseres energikravene, til det ikke trenger energi i det hele tatt for å bevege seg i uendelig hastighet.

Tenk på det som en magnet - du har en magnet tapet til en vegg og en annen i hånden din. Når du trykker på magneten mot veggen med polene justert, blir magneten din avstøtet. Jo nærmere du setter det, jo vanskeligere må du presse. Forestill deg på den andre siden av veggen er en annen magnet, gjør det samme. Veggmagneten er lysets hastighet, og de to magneter er takyoner og normale partikler. Så selv om tachyoner eksisterte, ville de alltid være fanget på motsatt side av en barriere som vi selv ikke kan passere. Selv om vi har glemt å nevne at de teknisk sett kunne brukes til å sende meldinger til fortiden.

3

Strings

Nesten alle partiklene vi har snakket om så langt, kalles punktpartikler; kvarker og fotoner eksisterer som et enkelt punkt - en liten liten prikk, hvis du vil - med null dimensjoner. Stringteori antyder at disse elementære partiklene ikke er poeng i det hele tatt-de er strenger, endimensjonale partikkelstrenger. Kjerneteorien er i sin helhet en teori om alt som klarer å sameksistere med både tyngdekraften og kvantefysikken (basert på det vi vet akkurat nå, de to kan ikke eksistere fysisk i samme rom - tyngdekraften virker ikke på kvantesystemet nivå).

Så i bred forstand er strengteori faktisk en kvanteteori om tyngdekraften. Og til sammenligning ville strenger erstatte preons som byggeklosser av kvarker, mens på høyere nivåer forblir alt det samme. Og i strengteori kan strengen bli noe basert på måten den er formet på. Hvis strengen er en åpen streng, blir den en foton. Hvis enden av den samme strengen forbinder og danner en løkke, blir det en graviton - på samme måte som det samme treet kan bli enten et hus eller en fløyte.

Det er faktisk flere strengteorier, og interessant, hver forutsier et annet antall dimensjoner. De fleste av disse teoriene angir at det er ti eller elleve dimensjoner, mens Bosonic strengteori (eller superstringsteori) krever ikke mindre enn tjuefem. I disse andre dimensjonene ville tyngdekraften ha en lik eller større styrke enn andre grunnleggende krefter, og forklare hvorfor den er så svak i våre tre romlige dimensjoner.

2

Branes

Hvis du virkelig vil ha en tyngdeforklaring, må du se på M-teori eller Membranteori. Membraner, eller braner, er partikler som er i stand til å omfatte flere dimensjoner. For eksempel er en 0-bran en punktlignende brane som eksisterer i null dimensjoner, som en kvark. En 1-bran har en dimensjon-en streng. En 2-bran er en todimensjonal membran, og så videre. Høydimensjonale braner kan ha noen størrelse som fører til teorien om at vårt univers er egentlig en stor brane med fire dimensjoner. Den branen - vårt univers - er bare et stykke flerdimensjonalt rom.

Og for tyngdekraften kan vår firedimensjonale brane ikke bare inneholde den, så tyngdekraftens energi lekker inn i andre braner når den passerer dem i det flerdimensjonale rommet; vi har bare dribbelene av det som er igjen, og derfor virker det så svakt i forhold til andre styrker.

Ekstrapolerer det, det er fornuftig at det er mange braner som beveger seg gjennom disse uendelige branene i et uendelig rom. Og derfra har vi multiverse- og syklisk universeteorier. Sistnevnte sier at universet sykler seg selv: det ekspanderer fra Big Bangs energi, og gravitasjonen trekker alt tilbake i samme rom for Big Crunch. Den komprimeringsenergien setter av en annen Big Bang, hopper universet inn i en annen syklus, som en celle som blar i livet og dør da.

1

Gud Partikkel

Higgs boson, mer kjent som Guds partikkel, ble tentativt funnet 14. mars 2013 i Large Hadron Collider (9). Som en liten bakgrunn ble Higgs boson først hypoteset på 1960-tallet som partikkelen som gir masse til andre partikler.

I utgangspunktet er Guds partikkel produsert i Higgs-feltet og ble foreslått som en måte å forklare hvorfor noen partikler som burde ha hatt masse, faktisk var masseløse. Higgs-feltet - som aldri hadde blitt observert - måtte eksistere gjennom hele universet og gi den kraften som trengs for at partiklene skal få sin masse. Og hvis det var sant, ville det fylle store hull i Standardmodellen, som er den grunnleggende forklaringen til bokstavelig talt alt (unntatt som alltid, tyngdekraften).

Higgs boson er viktig fordi det viser at Higgs-feltet eksisterer, og forklarer hvordan energi i Higgs-feltet kan manifestere seg som masse. Men det er også viktig fordi det setter en presedens; før det ble oppdaget, var Higgs boson bare en teori. Det hadde matematiske modeller, fysiske parametere som ville tillate det å eksistere, hvordan det skulle spinne alt. Vi har nettopp ikke hatt noen bevis for at den eksisterer. Men basert på disse modellene og teoriene, kunne vi finne ut en bestemt partikkel - den minste i det kjente universet - som matchet alt vi hadde hypoteset.

Hvis vi kan gjøre det en gang, hvem skal si at noen av disse partiklene ikke kunne være ekte? Tachyons, strangelets, gravitons-partikler som ville skifte alt vi vet om livet og universet og bringe oss nærmere til å forstå fundamentene i verden vi lever i.

Andrew Handley

Andrew er freelance skribent og eier av den sexy, sexy HandleyNation Content Service. Når han ikke skriver, går han vanligvis på fotturer eller fjellklatring, eller bare nyter den friske North Carolina-luften.