Почему наш мир ещё не рассыпался? Частицы играют в игру, правил которой нам не понять
NewsMakerВселенная — это результат вечного компромисса между толпой и одиночками.
Все, из чего состоит наш мир, — от мельчайших частиц света до сложнейших атомов — подчиняется простому, но фундаментальному разделению. Существует только два типа элементарных частиц : одни ведут себя как "коллективисты", другие — как убежденные "индивидуалисты". Физики называют их бозонами и фермионами , и без понимания разницы между ними невозможно объяснить, почему материя вообще существует.
Это разделение стало очевидным для ученых лишь в XX веке, однако корни теории уходят еще глубже. В 1924 году молодой ученый Сатьендра Натх Бозе, преподававший в университете Дакки (нынешний Бангладеш), занялся проблемой, которая оставалась загадкой с начала века. Речь шла о том, как горячие объекты излучают свет. Макс Планк уже предложил математическую формулу для этого процесса, заложив основы квантовой механики , но Бозе удалось вывести более изящное и строгое объяснение.
Он отправил результаты Альберту Эйнштейну и попросил помочь опубликовать работу. Эйнштейн не только поддержал исследование, но и развил его вместе с автором. В итоге родилась теория, которая показала: определенные частицы могут не просто обладать одинаковыми характеристиками вроде массы или заряда, но и буквально существовать в одном и том же месте и в одно и то же время.
Классический пример — фотоны , кванты света. Луч лазера представляет собой поток фотонов, синхронизированных по длине волны и движущихся как единое целое. Позднее стало ясно, что частицы, способные к подобному "единению", встречаются повсюду. Они отвечают за существование фундаментальных сил: электромагнитного взаимодействия, ядерных связей, радиоактивного распада. Даже гипотетические гравитоны, если они существуют, скорее всего, тоже относятся к бозонам.
Интересно, что не только элементарные, но и составные объекты могут вести себя как бозоны. Например, атомы гелия при определенных условиях демонстрируют те же "коллективные" свойства.
Однако когда ученые попытались описать поведение электронов при помощи той же математики Бозе и Эйнштейна, возникли серьезные противоречия. Оказалось, что электроны принципиально не могут вести себя как бозоны.
В 1926 году Энрико Ферми и Поль Дирак независимо друг от друга нашли объяснение этому явлению. Они доказали: электроны принадлежат к другому типу частиц, который позже назвали фермионами. В отличие от фотонов, одинаковые электроны не могут "накладываться" друг на друга. Каждый должен отличаться от других хотя бы по одному параметру — месту нахождения, уровню энергии или ориентации в пространстве.
Любопытно, что к похожему выводу еще в 1925 году пришел физик Паскуаль Джордан, но опубликовать работу вовремя он не успел и остался в тени.
Именно благодаря фермионам Вселенная не представляет собой скучное, однородное пространство. Невозможность для электронов "скучиваться" в одном месте приводит к тому, что они распределяются по энергетическим уровням вокруг атомного ядра. Чем больше электронов у атома, тем сложнее структура этих уровней — отсюда разнообразие химических элементов и их уникальные свойства.
К фермионам относятся не только электроны, но и кварки — строительные блоки протонов и нейтронов. К этой же группе принадлежат нейтрино — легкие, почти неуловимые частицы, которые играют роль в ядерных реакциях. Причем фермионами могут быть и не только отдельные элементарные частицы, но и целые коллективные конфигурации, как это происходит в некоторых экзотических материалах. Один из примеров — майорановские фермионы, которые теоретически могут лечь в основу будущих квантовых компьютеров .
Но различия между бозонами и фермионами не ограничиваются только их "общественным" или "индивидуалистским" поведением. Есть еще один фундаментальный признак — их спин . Это квантовая характеристика, которая описывает, как частица ведет себя при вращении.
Бозоны обладают целыми значениями спина. Например, фотон имеет спин, равный единице, а у гипотетического гравитона он должен быть равен двум. Если повернуть бозон вокруг своей оси на полный круг, он окажется в том же состоянии, что и прежде.
У фермионов спин выражается полуцелыми числами — у электрона он равен ½. После одного полного оборота фермион не возвращается к исходному виду: его математическое описание меняет знак. Чтобы все стало как прежде, необходимо повернуть его еще раз.
Долгое время считалось, что эти два признака — коллективное или индивидуальное поведение и особенности спина — никак не связаны между собой. Однако в 1939 году физик Маркус Фирц доказал математически: это два проявления одной и той же глубинной закономерности квантового мира. Позднее его наставник Вольфганг Паули усовершенствовал и формализовал это доказательство, которое теперь известно как теорема о связи спина и статистики.
Суть теоремы в том, что если попытаться придумать частицы со спином ½, но с "бозонным" поведением, или, наоборот, с целым спином, но с "фермионной" природой, то теория вовсе нарушит фундаментальные законы физики.
Интересно, что жесткое разделение на два типа справедливо только для нашего трехмерного мира. В двумерных пространствах физика позволяет существовать частицам, которые ведут себя как что-то среднее между бозонами и фермионами. Их называют анионами. В будущем именно анионы могут стать основой для сверхнадежных квантовых вычислений.
А если представить мир всего лишь в одном измерении, различие между бозонами и фермионами стирается окончательно. С математической точки зрения, их поведение становится неразличимым, словно два разных уравнения, приводящих к одному и тому же результату.
Таким образом, всё богатство Вселенной — от строения атома до взаимодействия галактик — покоится на удивительно чётком законе: одни элементарные частицы способны сосуществовать и объединяться, другие неизменно держатся особняком. Именно это фундаментальное различие и формирует тот облик мира, каким мы его знаем.
Все, из чего состоит наш мир, — от мельчайших частиц света до сложнейших атомов — подчиняется простому, но фундаментальному разделению. Существует только два типа элементарных частиц : одни ведут себя как "коллективисты", другие — как убежденные "индивидуалисты". Физики называют их бозонами и фермионами , и без понимания разницы между ними невозможно объяснить, почему материя вообще существует.
Это разделение стало очевидным для ученых лишь в XX веке, однако корни теории уходят еще глубже. В 1924 году молодой ученый Сатьендра Натх Бозе, преподававший в университете Дакки (нынешний Бангладеш), занялся проблемой, которая оставалась загадкой с начала века. Речь шла о том, как горячие объекты излучают свет. Макс Планк уже предложил математическую формулу для этого процесса, заложив основы квантовой механики , но Бозе удалось вывести более изящное и строгое объяснение.
Он отправил результаты Альберту Эйнштейну и попросил помочь опубликовать работу. Эйнштейн не только поддержал исследование, но и развил его вместе с автором. В итоге родилась теория, которая показала: определенные частицы могут не просто обладать одинаковыми характеристиками вроде массы или заряда, но и буквально существовать в одном и том же месте и в одно и то же время.
Классический пример — фотоны , кванты света. Луч лазера представляет собой поток фотонов, синхронизированных по длине волны и движущихся как единое целое. Позднее стало ясно, что частицы, способные к подобному "единению", встречаются повсюду. Они отвечают за существование фундаментальных сил: электромагнитного взаимодействия, ядерных связей, радиоактивного распада. Даже гипотетические гравитоны, если они существуют, скорее всего, тоже относятся к бозонам.
Интересно, что не только элементарные, но и составные объекты могут вести себя как бозоны. Например, атомы гелия при определенных условиях демонстрируют те же "коллективные" свойства.
Однако когда ученые попытались описать поведение электронов при помощи той же математики Бозе и Эйнштейна, возникли серьезные противоречия. Оказалось, что электроны принципиально не могут вести себя как бозоны.
В 1926 году Энрико Ферми и Поль Дирак независимо друг от друга нашли объяснение этому явлению. Они доказали: электроны принадлежат к другому типу частиц, который позже назвали фермионами. В отличие от фотонов, одинаковые электроны не могут "накладываться" друг на друга. Каждый должен отличаться от других хотя бы по одному параметру — месту нахождения, уровню энергии или ориентации в пространстве.
Любопытно, что к похожему выводу еще в 1925 году пришел физик Паскуаль Джордан, но опубликовать работу вовремя он не успел и остался в тени.
Именно благодаря фермионам Вселенная не представляет собой скучное, однородное пространство. Невозможность для электронов "скучиваться" в одном месте приводит к тому, что они распределяются по энергетическим уровням вокруг атомного ядра. Чем больше электронов у атома, тем сложнее структура этих уровней — отсюда разнообразие химических элементов и их уникальные свойства.
К фермионам относятся не только электроны, но и кварки — строительные блоки протонов и нейтронов. К этой же группе принадлежат нейтрино — легкие, почти неуловимые частицы, которые играют роль в ядерных реакциях. Причем фермионами могут быть и не только отдельные элементарные частицы, но и целые коллективные конфигурации, как это происходит в некоторых экзотических материалах. Один из примеров — майорановские фермионы, которые теоретически могут лечь в основу будущих квантовых компьютеров .
Но различия между бозонами и фермионами не ограничиваются только их "общественным" или "индивидуалистским" поведением. Есть еще один фундаментальный признак — их спин . Это квантовая характеристика, которая описывает, как частица ведет себя при вращении.
Бозоны обладают целыми значениями спина. Например, фотон имеет спин, равный единице, а у гипотетического гравитона он должен быть равен двум. Если повернуть бозон вокруг своей оси на полный круг, он окажется в том же состоянии, что и прежде.
У фермионов спин выражается полуцелыми числами — у электрона он равен ½. После одного полного оборота фермион не возвращается к исходному виду: его математическое описание меняет знак. Чтобы все стало как прежде, необходимо повернуть его еще раз.
Долгое время считалось, что эти два признака — коллективное или индивидуальное поведение и особенности спина — никак не связаны между собой. Однако в 1939 году физик Маркус Фирц доказал математически: это два проявления одной и той же глубинной закономерности квантового мира. Позднее его наставник Вольфганг Паули усовершенствовал и формализовал это доказательство, которое теперь известно как теорема о связи спина и статистики.
Суть теоремы в том, что если попытаться придумать частицы со спином ½, но с "бозонным" поведением, или, наоборот, с целым спином, но с "фермионной" природой, то теория вовсе нарушит фундаментальные законы физики.
Интересно, что жесткое разделение на два типа справедливо только для нашего трехмерного мира. В двумерных пространствах физика позволяет существовать частицам, которые ведут себя как что-то среднее между бозонами и фермионами. Их называют анионами. В будущем именно анионы могут стать основой для сверхнадежных квантовых вычислений.
А если представить мир всего лишь в одном измерении, различие между бозонами и фермионами стирается окончательно. С математической точки зрения, их поведение становится неразличимым, словно два разных уравнения, приводящих к одному и тому же результату.
Таким образом, всё богатство Вселенной — от строения атома до взаимодействия галактик — покоится на удивительно чётком законе: одни элементарные частицы способны сосуществовать и объединяться, другие неизменно держатся особняком. Именно это фундаментальное различие и формирует тот облик мира, каким мы его знаем.