Эффект Лейденфроста позволит вам пожарить идеальную яичницу и не только это!

Суть эффекта довольно проста: если жидкость помещают на поверхность, нагретую до температуры, существенно превышающей температуру её кипения, жидкость в месте контакта с поверхность начинает бурно испаряться.

Причём испарение идёт настолько бурно, что образовавшийся пар не успевает выйти наружу. В результате между жидостью и горячей поверхностью создаётся слой пара - эдакая паровая подушка, препятствующая передаче тепла от поверхности к жидкости.

Благодаря эффекту Лейденфроста жидкость на очень горячей поверхности может испаряться дольше, чем на менее нагретой, где такой эффект не возникает.

А вот это видео просто великолепно демонстрирует нам явление под названием "принцип минимума потенциальной энергии" - в данном случае, энергии поверхностного натяжения капель галлия - металла, являющегося жидкостью при температуре выше 30 градусов Цельсия.

Когда металл выпрыскивают из шприца, струя имеет форму цилиндра. Она легко распадается на отдельные сферические капли, потому что суммарная поверхность (и, соответственно, поверхностная энергия!) множества сферических капель меньше, чем площадь поверхности цилиндра такого же объёма. То есть, данный процесс энергетически выгоден - и он происходит. Дробление струи (не только галлия, но и любой жидкости) на капли носит название эффекта Рэлея Плато.

Но потом множество этих капель начинает объединяться, сливаясь в одну каплю большего объёма. Всё потому, что площадь одной сферической капли меньше площади множества капель такого объёма, а значит, процесс их слияния, снова-таки, энергетически выгоден - и он происходит!

Познавательно и залипательно!

Знаменитое в этих ваших (в т.ч. зарубежных) интернетах видео про сурового русского сталевара, разбивающего голой рукой струю расплавленного металла - это тоже проявление эффекта Лейденфроста: влага с поверхности кожи мгновенно испаряется, создавая своеобразный защитный слой пара, не допускающий контакта кожи с металлом непосредственно. Разумеется, воды на коже немного, и она быстро испаряется. Стоило бы сталевару задержать руку на долю секунды дольше - и он получил бы серьёзный ожог.

Так что не пытайтесь повторить это дома!

Ещё одно интересное проявление эффекта Лейденфроста - "капелька-экскаватор".

Если мы капнем немного воды на очень горячую сыпучую среду (например песок или, как в данном случае, стеклянную пудру), то в месте контакта с песком вода капли начнёт интенсивно испаряться. Пар, как в классическом эффекте Лейденфроста, создаст подушку, изолирующую каплю от прямого контакта с горячей поверхностью.

Но пар будет подниматься вверх, и его потоки будут увлекать с собой частички сыпучей среды. Вместо "улетевшего" пара капля будет испарять новые его порции, которые будут увлекать всё больше и больше песка. И когда капля испарится полностью, в месте, где она упала, образуется аккуратная ямка.

Учёные полагают, что в недрах Нептуна могут идти "дожди" (ну, скорее "град") из алмазов.

В центральных областях данной планеты атмосферное давление может достигать 1,5 миллиона атмосфер, а температура - 5000 градусов. В этих условиях составляющий значительную часть атмосферы Нептуна метан должен разлагаться на водород и углерод, а последний затем должен кристаллизоваться, причём именно в виде алмазов: собственно, земные алмазы получаются в таких (и даже более мягких) условиях.

В отличие от VSS Unity основателя Virgin Group Ричарда Бренсона, New Shepard Джеффа Безоса действительно совершит почти настоящий космический полёт: по планам ракета поднимется на высоту более 100 км, т.е. пересечёт т.н. линию Кармана, по международным договорённостям являющуюся границей космического пространства.

"Для полного счастья", а точнее, для права считаться полноценным космическим полётом рейсу New Shepard не будет доставать только скорости, которая в пике будет всё-таки меньше первой космической, т.е. достаточной для выхода на орбиту Земли. По сути New Shepard совершит "нырок" в космос, после чего капсула с пассажирами вернётся на Землю.

​Запущенный 21 июля на МКС российский модуль "Наука" имеет в своём составе 30 мест для размещения различного оборудования, а также инфраструктуру для функционирования станции. С "Наукой" космонавты российского сегмента МКС получат каюту для третьего члена экипажа, второй туалет, манипулятор для работы в открытом космосе без выхода туда членов экипажа и многое другое.

С помощью модуля "Наука" предполагается провести целый ряд научных экспериментов. Например, в эксперименте "Вампир" изучат возможности по выращиванию в невесомости кристаллов для инфракрасных датчиков с уникальными характеристиками. Также попробуют выращивать кристаллы полупроводников нового тира (фуллеренов). Эксперимент «Витацикл-Т» призван изучить режимы оптимального выращивания растений в космических оранжереях, эксперимент «БТН-Нейтрон 2» будет исследовать потоки нейтронов в околоземном пространстве и т.п. Одним из наиболее интересных экспериментов будет эксперимент "Капля-2" - тестирование установки капельного излучателя-холодильника, который может найти своё применение на борту проектируемого российского ядерного буксира.

Небольшие тёмные облачка вроде тех, что можно заметить на этом фото - так называемые глобулы Бока, внутри которых формируются молодые звёзды.

Как известно, звезда образуется в результате сжатия облака межзвёздного газа под действием собственной гравитации. Но для этого, чтобы этот процесс запустился, облако должно быть достаточно плотным (иначе силы гравитации для этого просто не хватит) и к тому же достаточно холодным (иначе гравитация не сможет преодолеть хаотическое тепловое движение молекул газа).

Именно поэтому глобулы Бока выглядят тёмными пятнами: они, с одной стороны, не пропускают падающий на них свет других звёзд, так как очень плотные, а с другой - не излучают ничего сами из-за низкой температуры.

Когда газ рождающейся звезды сожмётся достаточно сильно для образования "тела" звезды и из-за этого сжатия разогреется достаточно для того, чтобы начать активно излучать, световое излучение рождающейся звезды постепенно рассеет глобулу, и звезда станет видимой,что ознаменует рождение нового светила.

Могут ли существовать планеты, имеющие не привычную нам шарообразную форму, а форму бублика? Расчёты показывают, что это возможно!

И это не какое-то там научное фричество: над проблемой конструктивно работали ещё такие монстры, как Ньютон, Якоби, Маклорен, Чандрасекар, Пуанкаре и другие.

Их выводы однозначны: устойчивое существование планет, имеющих форму бублика (тора) возможно. Правда, лишь в достаточно узком диапазоне соотношения параметров таких планет. Например, радиус от центра бублика" до его внешнего края должен быть не более чем втрое больше радиуса самого "тела" бублика: проще говоря, планета-бублик должна быть достаточно толстой и с маленькой центральной "дыркой". Кроме того, скорость вращения бублика должна быть достаточно большой, чтобы центробежные силы предотвратили схлопывание бублика в элипсоид.

Проще говоря, планеты-бублики могут существовать в реальности. Другое дело, что вероятность их возникновения является очень небольшой, и не факт, что мы когда-либо встретим такую планету.

Примерно так может выглядеть звёздное небо Земли через 4 миллиарда лет, когда наша галактика Млечный Путь столкнётся с соседней галактикой Андромеды.

​О чёрных дырах слышали, наверное, все, а мы с вами неоднократно обсуждали их необычные свойства. Интересующиеся физикой, возможно, слышали также о белых дырах – областях пространства, в которые ничего не может попасть извне. Но, как предполагают физики, может существовать и ещё один «дырообразный» объект – так называемые серые дыры, или Q-звёзды. Объяснение того, что могут представлять собой серые дыры, придётся начать немного издалека.

Ядра атомов наиболее простых элементов способны сливаться с выделением энергии. Этот процесс именуется ядерным синтезом, и происходит он потому, что у более массивного ядра энергия оказывается ниже, чем суммарная энергия двух более мелких ядер. Но так происходит лишь до определённого предела, именуемого «железным пиком»: элементы тяжелее железа и никеля перестают выделять энергию при слиянии и начинают её поглощать, а выделяется энергия, напротив, при делении ядер таких элементов на более простые конструкции. Такой процесс именуется ядерным распадом.

Но нам в данном случае интересны как раз элементы «железного пика», и в первую очередь изотоп никель-62: ни рост, ни уменьшение числа частиц для него не являются энергетически выгодными.

Уникальные свойства никеля-62 объясняются «идеальным балансом» составляющих его протонов и нейтронов. Однако теоретически подобные «идеально сбалансированные» объекты можно создать и из других частиц. Особый интерес представляют структуры, которые физики назвали Q-шарами – устойчивыми конфигурациями из т.н. бозонов. Бозонами называют частицы, имеющими целый спин (0, 1, 2 и т.п.). Мы сейчас не будем вдаваться в пояснение того, что такое спин, запомним лишь, что у бозонов он целый, тогда как частицы с полуцелым (1/2, 3/2, 5/2 и т.п.) спином называются фермионами: именно фермионами являются такие привычные нам «кирпичики» материи, как протон и нейтрон.

И если фермионы способны формировать стабильные структуры типа никеля-62 лишь из малого количества частиц, то стабильные бозонные конструкции в теории можно собрать из практически сколь угодно большого числа «деталей». Такие гипотетические конструкции и получили название Q-шаров (q-balls).

Свойства Q-шаров должны быть достаточно занятными. Ни присоединение к нему других частиц, ни распад частиц, из которых он состоит, ни разделение Q-шара на более мелкие объекты будут энергетически невыгодными, то есть невозможными. То есть, находящийся в покое Q-шар может существовать практически вечно.

Как мы сказали выше, не существует принципиальных ограничений на максимальную массу Q-шара – теоретически она может достигать звёздных масс или даже в миллионы раз превосходить её. Такие массивные космические Q-шары называют Q-звёздами, или, собственно говоря, серыми дырами.

В отличие от чёрных дыр, поглощающих материю и не выпускающих её наружу и гипотетических белых дыр, выбрасывающих материю и не пускающих её внутрь, серые дыры ничего не поглощают и не излучают. То есть, они являются «идеальными невидимками», которые взаимодействуют с окружающим миром лишь посредством гравитации. В этом смысле внешне серая дыра должна выглядеть почти так же, как чёрная, являясь при этом принципиально другим по своей природе объектом.

Но это лишь теория. А для того, чтобы утверждать, существуют ли Q-звёзды на самом деле, нам надо обнаружить на просторах Вселенной хотя бы один такой объект. Что представляет собой весьма нетривиальную задачу: мало того, что звезду-невидимку надо как-то обнаружить, её ещё нужно отличить от чёрной дыры, что представляет собой весьма нетривиальную задачу.

Возможно, астрофизики уже нашли подтверждение существования Q-звёзд: 21 мая 2019 года гравитационные обсерватории LIGO и Virgo зафиксировали слияние двух объектов, которые, возможно, являются серыми дырами.

Почему же физики так хотят найти подтверждение существования серых дыр? А потому, что, благодаря своим свойствам, они являются отличными кандидатами на роль тёмной материи – одной из наиболее актуальных проблем современной науки. О том, что это такое и почему ей уделяется столько внимания, мы поговорим как-нибудь в другой раз.

​Что такое спин частицы и зачем он нужен физикам?

Практически всякий раз, когда мы с вами обсуждали вещи, связанные с квантовой физикой, мне приходилось прилагать немало усилий, чтобы избегать наиболее специфических понятий данной дисциплины. Одной из вещей, с которой в этом смысле было больше всего хлопот, была такая характеристика элементарных частиц как спин.

Термин происходит от английского to spin – вращаться. На самом деле в квантовой механике и физике элементарных частиц ничего ни вокруг чего не «вращается»: понятия траектории движения с точки зрения данной дисциплины вообще не имеют смысла.

Говоря научным языком, спин характеризует симметрию функции, которая описывает состояние системы, в данном случае – элементарной частицы. Если попытаться перевести это на привычный нам язык, то спин показывает, на какую долю угла в 360 градусов надо повернуть частицу вокруг своей оси, чтобы она оказалась в состоянии, неотличимом от изначального.

Тоже не очень понятно? Тогда поясним на примере.

Возьмём шарик. Шарик круглый и совершенно симметричный. Как его ни крути, он выглядит одинаково. «Спин» шарика равен 0.

Теперь возьмём заточенный карандаш. Если мы начнём его вращать вокруг оси, перпендикулярной оси самого карандаша, то для того, чтобы он вернулся в изначальное положение, ему надо совершить один полный оборот на 360 градусов. «Спин» заточенного карандаша равен 1.

А вот если бы карандаш не был заточен (оба конца одинаковы), то нам достаточно было бы повернуть его на 180 градусов, т.е. на ½ от 360 градусов. «Спин» незаточенного карандаша равен 2.

Сложнее представить себе, как будет выглядеть предмет со «спином» ½ (а именно к таким частицам относятся главные кирпичики привычного нам вещества – протон, нейтрон, электрон, из которых состоят атомы).

Действительно, следуя вышеописанной логике, получается, что вернуть такой предмет в изначальное положение можно, обернув его вокруг своей оси дважды (одного полного оборота будет недостаточно). На самом деле, если хорошенько подумать, примеры такие найти можно. Взять хотя бы обычный четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания, гифку с иллюстрацией работы которого я приложу к этой публикации. Вал повернулся на 360 градусов, и поршень вроде бы вернулся в первоначальное (верхнее) положение. Однако состояние системы в целом отличается от первоначального: клапаны находятся в другом положении. А чтобы полностью вернуться в начало цикла, нам нужно, чтобы вал совершил ещё один оборот, т.е. в общей сложности провернулся на 360 градусов дважды.

Важно понимать, что вышеизложенная аналогия – лишь аналогия. Квантовые частицы не имеют «формы» в привычном нам понимании и никто их вокруг своей оси не вращает просто потому, что никакой «своей оси» у них нет. И в целом физики мало задумываются о том, что такое спин на самом деле. Просто вот у частицы есть вот такая характеристика, которая определяет её свойства. Зная её, мы сможем правильно записать уравнение, решение которого позволит нам понять, как это частица поведёт себя в той или иной ситуации. Записали? Отлично. Решаем. Старый-добрый принцип «заткнись и считай», и что характерно, он работает.

Так вот. Оказывается, что свойства частиц с целым (0, 1, 2) и полуцелым (1/2, 3/2, 5/2 и т.п.) спином сильно отличаются друг от друга. Собственно, частицы с целым спином называют бозонами (в честь Шатьендраната Бозе, первым сформулировавшего статистические законы существования систем таких частиц, т.н. статистику Бозе-Эйнштейна), а частицы с полуцелым спином – фермионами (в честь проделавшего для них аналогичную работу Энрико Ферми).

В чём различие? Оно простое: в одной и той же системе в одном и том же состоянии может находиться не более одного фермиона (т.н. запрет Паули), но любое количество бозонов. Из-за этого системы таких частиц ведут себя очень по-разному.

Но об этом мы поговорим в следующий раз.

Так выглядит изнутри новый модуль "Наука" российского сегмента МКС.

​Большой Разрыв: самый "быстрый" сценарий конца Вселенной

Среди различных сценариев того, каким образом закончит своё существование Вселенная, какой мы её знаем, несколько особняком стоит так называемый сценарий Большого Разрыва. Суть его в следующем.

Мы достаточно точно знаем, что Вселенная расширяется. Причём это расширение не похоже на разлёт осколков взорвавшейся бомбы: далёкие галактики, вообще говоря, не улетают от нас, а само разделяющее нас пространство как бы разбухает, в связи с чем расстояние между космическими объектами увеличивается.

Скорость удаления некоего космического объекта от наблюдателя пропорциональна текущему расстоянию между ними и равно произведению этого расстояния на константу, известную как постоянная Хаббла.

Самое интересное, что, по крайней мере, в теории, эта скорость не ограничена скоростью света, так как речь идёт не о "настоящем" движении.

А ещё скорость расширения Вселенной, похоже, увеличивается, то есть, постоянная Хаббла постепенно растёт со временем. А это значит, что однажды даже те объекты, которые сегодня улетают от нас пусть и с большой, но существенно до световой скоростью, однажды преодолеют световой барьер относительно земного наблюдателя.

С точки зрения этого наблюдателя объект, удаляющийся от него со скоростью, превосходящей скорость света, принципиально никак невидим и необнаружим. Никакой сигнал (электромагнитный, гравитационный и т.п.), испущенный таким объектом, не сможет достичь наблюдателя, так как расстояние, которое ему предстоит преодолеть, увеличивается быстрее, чем этот сигнал движется.

Для самого объекта при этом по сути ничего не изменится. С его точки зрения исчезнем мы, тогда как сам он будет в полном порядке. По сути, с этого момента мы с этим наблюдателем начнём жить в разных, не связанных друг с другом Вселенных.

И более того: чем больше времени пройдёт и чем сильнее вырастет постоянная Хаббла, тем более близкие объекты будут «исчезать с радаров». Сначала это будут наиболее удалённые галактики и их скопления и сверхскопления, затем – скопления и сверхскопления поближе, потом – уже галактики нашего региона Вселенной, затем – ближайшие к нам галактики. Затем эффект начнёт проявляться уже на галактических масштабах: за световой барьер начнут уходить уже звёзды нашей обственной галактики. Сама галактика при этом, вероятно, разрушится, так как составляющие её объекты перестанут быть гравитационно связанными.

Затем настанет очередь звёздных систем: планеты сначала на периферии, а затем и всё ближе к самой звезде начнут уходить за световой барьер, теряя связь с родительской звездой.

Потом эффект Большого Разрыв начнёт проявляться уже на некосмических расстояниях: терять взаимосвязь друг с другом станут различные части, к примеру, одной и той же звезды. Гравитация перестанет больше удерживать их в одно целое, и звёзды начнут распадаться и гаснуть.

А в конце концов эффект коснётся уже межатомных масштабов: даже сложные молекулы, а потом и составные атомы больше не смогут существовать, так как их составляющие не смогут больше взаимодействовать друг с другом.

В итоге известная нам Вселенная распадётся на бесчисленное множество пузырьков пространства-времени, не имеющих никакой связи с соседями.

Стоит отметить, что, согласно имеющимся расчётам, это может случиться уже через 20-25 миллиардов, т.е. порядка 2 на 10 в 10 степени лет. Причём от момента, когда «с радаров» начнут пропадать наиболее удалённые галактики до момента, когда распадутся атомы вещества, пройдёт всего около миллиарда лет.

Это, пожалуй, наиболее быстрый сценарий конца света из существующих: другие отводят нашей Вселенной как минимум около 10 в 30 или даже 10 в 100 степени лет существования в более ли менее привычном сегодня виде.

Впрочем, это неточно. В научных кругах нет настоящей определённости в отношении даже того, действительно ли Вселенная расширяется с ускорением – уж не говоря о том, будет ли она делать это в будущем. Так что реалистичность такого сценария пока под вопросом – а точнее, нуждается в дальнейших исследованиях.

​Ну и раз уж мы заговорили о сценариях конца света вроде Большого Разрыва, обсудим и другие возможные сценарии.

Один из них также известен как Самый скучный конец света, и состоит он в том, что... ничего особо интересного со Вселенной не произойдёт.

Согласно этой теории, примерно через триллион (10 в 12 степени) лет во Вселенной закончатся запасы межзвёздного водорода. Образование новых звёзд прекратится.

Ещё через несколько десятков миллиардов лет после этого погаснет, исчерпав запасы темоядерного топлива, большинство ранее образовавшихся звёзд. Дольше проживут наиболее маленькие звёзды - красные карлики: вероятно, последние из них прекратят термоядерный синтез примерно через 2 триллиона лет. Эпоха звёзд во Вселенной закончится, единственным источником энергии останется лишь электромагнитное изучение, испускаемое их остывающими угольками: белыми карликами и нейтронными звёздами.

Процесс их остывания продлится примерно до 10 в 40 степени лет от настоящего момента.

После этого наступит эпоха чёрных дыр, когда будут доминировать именно эти объекты, постепенно "подчищающие" вещество, рассеянное по Вселенной в ходе предыдущих эпох. Парадоксально, но именно чёрные дыры в эту эпоху станут едва ли не единственным источником энергии - за счёт т.н. излучения Хокинга, а также столкновения чёрных дыр друг с другом, сопровождающегося мощными взрывоподобными событиями. Причём энергия будет выделяться в первую очередь в виде гравитационных волн, которые будут доминировать в данну эпоху.

На этом этапе возможно "ответвление": возможно, чёрные дыры начнут сливаться друг с другом, в конце концов образовав гигантскую чёрную дыру, которая поглотит почти всё вещество Вселенной. Вполне возможно, что эта чёрная дыра однажды взорвётся, дав начало новому Большому Взрыву.

Но этого может и не произойти: расширяющаяся Вселенная будет "разносить" друг от друга чёрные дыры быстрее, чем гравитация будет притягивать их друг к другу. Так что чёрные дыры будут просто спокойно испаряться благодаря излучению Хокинга, пока не испарятся совсем. Эпоха чёрных дыр закончится, что будет означать, собственно, конец известной Вселенной. Начнётся Эпоха вечной тьмы: Вселенная будет лишена каких-либо источников энергии и будет представлять собой достаточно разреженную пустыню с редкими "островками" вещества в виде остывших практически до абсолютного нуля остатков звёзд и планет.

Так как больше ничего интересного во Вселенной, вероятно, происходить не будет, этот момент можно будет считать "официальным" концом её истории. Наступит это ориентировочно через 10 в 100 степени лет.

​Ещё один сценарий конца света - это распад протонов на более мелкие элементарные частицы с последующим распадом тех до электронов, позитронов и нейтрино.

Согласно этой теории, в один прекрасный момент вся материя Вселенной будет представлять собой газ из этих элементарных частиц - т.н. пустиню лептонов (общее название класса частиц, включающих электрон, мюон, тау-лептон и соответствующие нейтрино). В такой Вселенной не будет существовать классических атомов или даже атомных ядер, да и вообще каких-то крупных составных тел - лептоны к образованию таких конструкций, видимо, не способны.

Весь вопрос в том, способен ли протон распадаться в принципе. Мы полагаем, что да: не существует никакого фундаментального закона сохранения, основанного на базовом законе симметрии пространства-времени, запрещающего такой распад. А в квантовой физике действует правило "всё что не запрещено - разрешено", и, пусть и с очень небольшой вероятностью, но рано или поздно произойдёт.

Другое дело, что в случае распада протона вероятность эта ОЧЕНЬ мала: время жизни протона по самым скромным оценкам превышает 10 в 30 степени лет (1000 миллиардов миллиардов миллиардов лет). Тогда как современный возраст Вселенной составляет порядка 13-14 миллиардов лет (10 в 10 степени).

Иными словами, если протоны и распадутся, то случится это ОЧЕНЬ нескоро: вероятно, в диапазоне от 3 на 10 в 36 до 2 на 10 в 42 степени лет.

Иными словами, этого момента Вселенная может попросту не дождаться: погибнет раньше в результате Великого Разрыва, если тому, конечно, суждено случиться.

Вопрос в том, соответствуют ли истине наши представления о том, что протон вообще когда-нибудь распадётся. Уверенно сказать "да" мы сможем лишь тогда, когда зафиксируем такой распад на эксперименте.

Хорошая новость в том, что миллиард миллиардов миллиардов лет пыриться на единственный протон, ожидая, пока он распадётся, не обязательно. Достаточно взять много (порядка 10 в 30 степени и больше) протонов, и тогда статистически за один год хотя бы один из них да должен распасться. Правда, для того, чтобы зафиксировать распад одного протона на миллионы литров воды (например) нам понадобятся очень-очень чувствительные и защищённые детекторы. Те, что у нас есть, пока показали чуть менее чем ничего, и гипотеза о распаде протона остаётся гипотезой, хотя и весьма вероятной.

На фото - ж детектор Super-Kamiokande, который вообще-то детектор нейтрино, но так как он заполнен 50 тысячами тонн сверхчистой воды, его датчики и распад протона зарегистрировать тоже могут. Но пока не зарегистрировали, а жаль.

​Почему антивещества в известной Вселенной куда меньше, чем вещества? На этот вопрос у физиков пока нет окончательного ответа, хотя уже есть кое-какие соображения.

В принципе выбор названий «частица» и «античастица» достаточно произволен: теоретически частицы и их античастицы полностью эквивалентны, это «полноправные» частицы с равными «правами на существование».

Например, в том или ином физическом процессе частицы можно заменить на античастицы, и в общем-то будет происходить всё то же самое. Например, антипротоны и антиэлектроны-позитроны на отлично образуют «антиатомы водорода» с антипротоном в качестве ядра и электроном на его орбите. Получившуюся структуру называют позитронием. Два атома позитрония, в свою очередь, как и настоящий водород, способны образовывать двухатомную молекулу. То есть, антивещество ведёт себя как и обычное вещество!

Да только вещество окружает нас повсюду, а антивещество вынуждены получать почастично в лабораториях.

По идее, в первые мгновения Большого Взрыва, когда возникали первые частицы вещества, они должны были рождаться парами: на каждую частицу должна была приходиться соответствующая античастица. В сверхплотной первоначальной Вселенной эти частицы и античастицы должны были бы сталкиваться и аннигилировать, и так они и делали: эхом этой масштабной аннигиляции сегодня является т.н. реликтовое излучение.
Однако по какой-то причине вещества оказалось больше чем антивещества. В итоге все античастицы аннигилировали, а некоторое количество «обычных» частиц выжило, образовав Вселенную, какой мы её знаем.

Но почему его оказалось больше? Почему симметрия между веществом и антивеществом (т.н. CP-инвариантность, «цэпэ-инвариантность») оказалась нарушенной? Над этим вопросом физики бьются десятилетиями.

Точнее, мы уже знаем один процесс, в котором CP-инвариантность нарушается – это так называемые осцилляции нейтральных каонов. Каоны – это мезоны, т.е. частицы, состоящие из двух кварков. В случае нейтральных каонов это анти-s-кварк и d-кварк.

Особенностью нейтральных каонов является то, что составляющие их кварки склонны к т.н. слабому распаду: внутри одной и той же частицы: анти-s-кварк превращается в анти-d-кварк, испуская две частицы – т.н. W-бозона. В свою очередь, d-кварк поглощает эти бозоны, «толстея» до s-кварка. Итого мы получаем частицу, состоящую из s-кварка и анти-d-кварка - то есть, античастиц частицам оригинального каона. То есть, без какого-либо внешнего влияния произошло превращение каона в антикаон. Данный процесс называется каонной осциляцией.

Так вот: оказывается (это подтверждено экспериментально), что процесс превращения каона в антикаон менее вероятен, чем обратный. А значит, если мы возьмём «мешок» каонов с равным содержанием частиц и античастиц, то через некоторое время увидим, что частицы преобладают над античастицами.

До недавнего времени это оставалось единственным экспериментально подтверждённым явлением, в ходе которого нарушалась CP-инвариантность. В 2007 году подтвердили то же явление для т.н. B-мезонов, состоящих из s-кварка и b-антикварка.

Но может ли нарушение CP-инвариантности в мезонных осциляциях быть тем механизмом, который вызвал дисбаланс вещества и антивещества в ранней Вселенной? Возможно.

А возможно и нет. Точнее, расчёты показывают, что образовавшийся таким путём дисбаланс был бы недостаточно велик: если бы дело было только в нём, то во Вселенной должно быть куда меньше вещества и больше излучения, чем мы наблюдаем. Существуют другие теории, объясняющие нарушение CP-инвариантности в ранней Вселенной (например т.н. теория Печчеи-Квин), но их слабыми местами является отсутствие у них экспериментальных доказательств.

Но самый интересный вопрос: каковы причины того, что природа всё-таки предпочитает вещество антивеществу хоть и в тех же мезонных осцилляциях? Ответа на этот вопрос нет, и это делает очевидным, что современная картина мира элементарных частиц, т.н. Стандартная модель, очевидно неполна.

На фото – установка по сбору и хранению антивещества.

​Очень краткий путеводитель по миру элементарных частиц

Все элементарные частицы делятся, во-первых, на вещество, а во-вторых – на частицы переносчики взаимодействия.

Например фотон является переносчиком электромагнитного взаимодействия: например, притяжение между протоном и электроном или отталкивание между двумя электронами описывается как обмен этих частиц фотонами.

Свои частицы-переносчики есть также и у других взаимодействий: сильное взаимодействие между частями атомных ядер переносят глюоны (в количестве 8 видов), слабое, отвечающие за взаимные превращения частиц – W+, W- и Z0 бозоны (нормальное имя им придумывать физиков сломало).

Ещё где-то тут должен быть гравитон. Но это неточно.

Тут надо сказать, что все переносчики взаимодействия – это бозоны, т.е. их спин имеет целые значения (а точнее у всех вышеперечисленных он равен 1, у фотона 0). Поэтому часто частицы-переносчики ещё называют калибровочными бозонами. Почему калибровочными – отдельный долгий разговор, просто запомните: если говорят «калибровочные бозоны» - имеют в виду фотон и его друзей.

Все частицы, из которых состоит материя, имеют спин ½, т.е. являются фермионами. Они делятся на два больших класса: то, что состоит из кварков и на всё остальное. «Всё остальное» называется лептонами (от слова «лептос», лёгкий). На самом деле лептоны отличает не вес (тау-лептон всерьёз потяжелее протона будет!), а то, что они не участвуют в ядерных взаимодействиях, а потому находятся не в ядрах, а носятся вокруг.

Лептоны бывают такие: всем известный электрон, мюон (можно встретить устаревшее название мю-мезон; за его употребление сейчас бросают в адронный коллайдер) и вышеупомянутый тау-лептон. Все они имеют одинаковые характеристики (заряд -1, спин ½ и т.п.), но разную массу: электрон самый лёгкий, пион потяжелее, тау-лептон самый жирный.

В остальном (кроме массы) все три лептона очень похожи.

Ещё есть нейтрино, они тоже лептоны. Это такие мелкие пронырливые ребята: без электрического заряда (так что не участвуют не только в сильном, но и в электромагнитном взаимодействии) и почти без массы (ключевое слово - почти). Поэтому они носятся по Вселенной с околосветовой скоростью, и на другое вещество им практически плевать.

Ах да, на самом деле нейтрино – это не один вид частиц, а три: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Принцип такой: если в каком-то взаимодействии рождается электрон и нейтрино, то это будет электронное нейтрино. Если мюон и нейтрино – то, соответственно, это будет мюонное нейтрино и т.п. Все параметры у всех трёх нейтрино одинаковы (кроме может быть массы, которую мы всё равно не знаем), и отличить одно нейтрино от другого сложно. Когда Ледерман, Шварц и Стейнберг придумали как это сделать, заодно доказав, что это таки разные частицы, им за заслуженно дали нобелевку. А ещё нейтрино имеют свойство спонтанно превращаться из одного в другое – так называемые нейтринные осцилляции.

И да, так как наблюдать за нейтрино ввиду их шустрости сложно, сколько их всего во Вселенной мы не знаем. Возможно, их общая масса превышает общую массу всех прочих частиц вместе взятых. И, возможно, намного.

Переходим к кваркам.

Кварков всего шесть. Всё что состоит из кварков, называется адроны, от латинского адрос, «крупный» – чтобы противопоставить «лёгким» лептонам. Но прикол адронов, опять же, не в весе, а в том, что они участвуют в сильном взаимодействии.

Адроны, в свою очередь, делятся на два вида частиц. Во-первых, это барионы – частицы – состоящие их трёх кварков, как протон и нейтрон. Во-вторых, это мезоны – состоящие из двух кварков. Собственно, потому они и мезоны, ибо масса больше лептонов, но меньше адронов, т.е. между (мезо) ними.

А, да, бывают ещё пентакварки, в них кварков, как легко понять, пять. Зверь редкий, весит много, получается с трудом, живёт мало. Окончательно подтвердили его существование в 2015-м, и с тех пор думают, зачем он нужен.

Чтобы было понятнее, вот вам схемка.