#φuωkα

Эпиграф:  — А свет — это волна или частица? — Да. © Доля правды

Продолжим славные традиции отрицания всего.

Всем известно, что кванты — это то ли частицы, то ли волны, то ли то и другое вместе, то ли, наоборот, не то и не другое, а возмущения какого—то поля. В общем, ничего не понятно.

Ещё говорят, что в одних экспериментах они демонстрируют волновые свойства, а в других — свойства частиц. Но даже если взять классический двухщелевой эксперимент, то там фотон ведёт себя и как волна (интерферируя с самим собой) и как частица (оставляя единственный след на экране). Так что дело не в эксперименте.

Если присмотреться повнимательнее, то можно увидеть, что кванты ведут себя как частицы только при поглощении. А распространяются они как волны со всеми вытекающими последствиями — частотой, амплитудой, фазой, протяжённостью в пространстве и т. д.

И только в момент измерения волна исчезает, и в одной из точек занимаемого ей пространства материализуется частица, а точнее её след. Как бы ни был протяжён фотон, он может поглотиться максимум одним атомом. Причём целиком и сразу. В результате один электрон в атоме перескочит на более высокую орбиту, зафиксировав таким образом факт поглощения. Сам фотон как частица, конечно, нигде не остаётся.

Если бы не этот эффект квантового измерения, в квантах не было бы ничего загадочного. Их бы считали просто волновыми пакетами.

Даже излучение фотонов порциями можно объяснить, не обращаясь к свойствам самих фотонов. Достаточно понять, что при испускании волны электрон перескакивает с одной фиксированной орбиты на другую. Тем самым освобождается строго определённое количество энергии. Оно и уносится в виде электромагнитного излучения (ака фотона).

В свою очередь само квантование орбит электрона тоже объяснимо с точки зрения волн. Стоячая волна, зажатая в ограниченном пространстве, не может иметь произвольную длину волны. Например, длина волны колеблющейся струны должна укладываться целое число раз в длину струны, иначе ничего не получится. То же происходит и с электроном в атоме. Электрон удерживается возле ядра за счёт электрического притяжения к протонам, поэтому, как и струна, может находиться только в фиксированных счётных состояниях.

#ηeωs

Ученые нашли новое свидетельство пятого фундаментального взаимодействия. Его переносчиком может быть новый гипотетический X-бозон массой около 17 МэВ (или попросту частица X17).

В современной физике есть четыре фундаментальных взаимодействия — гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. У каждого взаимодействия (кроме гравитации) есть частица—переносчик из группы калибровочных бозонов. У электромагнитного это фотоны, у слабого — W- и Z-бозоны, у сильного — глюоны, у гравитационного — гипотетические гравитоны, кои пока не обнаружены.

Вместе с частицами материи фермионами они образуют Стандартную модель, которая хорошо устоялась и многократно подтверждена. Что с одной стороны хорошо, а с другой стороны скучно. Все жаждут новой физики, за пределами стандартной модели. Потенциальные кандидаты на расширение — это частицы тёмной материи, но их на данный момент так и не удалось обнаружить, несмотря на многочисленные попытки.

Но вот в 2016 году вышла статья венгерских физиков, которая намекала на существование новой неизвестной частицы. На своей экспериментальной установке они обнаружили аномалии при распаде бериллия-8. Они бомбардировали литий-7 протонами, что создавало нестабильные ядра бериллия-8, которые затем распадались, испуская фотон, который тоже почти сразу распадался на электрон и позитрон.

По закону сохранения импульса, чем энергичнее исходный фотон, тем меньше будет угол разлёта между электроном и позитроном. Замеряя этот угол на установке, учёные обнаружили, что с увеличением угла количество обнаруженных электрон-позитронных пар стабильно падает, но на угле около 140° возникает резкий скачок — пар обнаруживается заметно больше, чем на соседних меньших или больших углах.

Они не нашли этому объяснения в существующей ядерной физике, и предположили, что может быть иногда вместо фотона испускается другая неизвестная частица, которая тоже распадается на электрон и позитрон, но поскольку она имеет меньший импульс, угол разлёта пар существенно шире. Они посчитали массу этой частицы (около 16.7 МэВ), её время жизни (10^-14 секунд) и предположили, что это может быть так называемый «тёмный фотон» — гипотетическая частица тёмной материи, похожая по своим свойствам на фотон.

Работу не особо заметили, ведь те, кто занимается физикой частиц, не читают статьи по ядерной физике. Пока не вышла статья, которая показала, что результаты венгров прекрасно объясняются, если предположить, что новая частица есть калибровочный бозон пятого фундаментального взаимодействия. Они отвергли идею, что это тёмный фотон (и позже тёмные фотоны данной массы действительно не удалось обнаружить). У них получилось, что это скорее его «двойник», который вместо протонов взаимодействует с нейтронами. Пятое взаимодействие вышло очень короткодействующим — оно действует лишь на расстоянии в несколько атомных ядер. Что объясняет сложность его обнаружения.

После этого народ загорелся интересом, и собрался перепроверить результаты и поискать похожие частицы в других экспериментах. Даже в Nature News статья вышла. Но, к сожалению, результатов перепроверок до сих пор нет.

Зато сами венгры не стояли на месте, а провели новый эксперимент, на сей раз с ядрами гелия. И снова обнаружили аномалию, на сей раз на угле в 115°, что снова согласуется с испусканием частицы той же самой массы 17 МэВ. Так что это новое свидетельство существования X17 и пятого фундаментального взаимодействия. Статья пока не принята в журнал, но препринт уже доступен.

В общем, очень интересно. В ближайшие несколько лет должны появиться результаты других экспериментов. Будем ждать.

#φuωkα

Частицы с ненулевой массой не могут разогнаться до скорости света. Происходит это потому, что чем больше скорость частицы, тем меньше ускорение, создаваемое одной и той же силой. Т. е. чем больше скорость, тем труднее частицу дальше разгонять. При приближении к скорости света это ускорение стремится к нулю, какую силу ни приложи. Ну или так: если вдруг частица разгонится до скорости света, то в формуле расчёта энергии произойдёт деление на ноль, и энергия окажется бесконечной. А это, как понимаете, невозможно.

Другое дело частицы без массы. У них, наоборот, ноль (масса) оказывается в числителе, и энергия получается нулевой. А раз нет энергии, то нет и частицы. Единственный способ выкрутиться — это летать со скоростью света. Тогда в формуле будет деление нуля на ноль, а это — неопределённость, результат может быть любым. Поэтому энергия фотона рассчитывается по другой формуле, через частоту, а не через массу, которой нет.

Математическая модель открывает также возможность для гипотетических частиц с мнимой массой — тахионов. Они, наоборот, могут двигаться только со сверхсветовой скоростью. И чем медленнее, тем больше их энергия. Но их существование под вопросом, т. к. они нарушают принцип причинности.