10 particelle teoriche che potrebbero spiegare tutto

Per secoli l'umanità ha scavato nei misteri che circondano l'esatta composizione dell'universo. Gli antichi greci furono i primi a ipotizzare l'esistenza di atomi, che credevano fossero le particelle più piccole dell'universo, i "mattoni" di tutto. Per circa 1.500 anni, quello era il massimo che sapevamo della materia. Poi, nel 1897, la scoperta dell'elettrone lasciò il mondo scientifico in un macello. Proprio come le molecole erano fatte di atomi, ora gli atomi sembravano avere i loro ingredienti.

E più guardavamo più a fondo, più le risposte sembravano passare attraverso la punta delle dita, sempre fuori dalla portata. Anche i protoni e i neutroni, i mattoni degli atomi, sono fatti di pezzi sempre più piccoli chiamati quark. Ogni scoperta sembra sollevare più domande. Il tempo e lo spazio sono solo fasci e grappoli di piccole briciole caricate, troppo piccole per poter vedere? Forse - ma poi di nuovo, queste dieci particelle teoriche potrebbero spiegare tutto. Se potessimo effettivamente trovarli:

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strangelet

Iniziamo con qualcosa di più vicino a ciò che già sappiamo: quark. C'è più di un tipo di quark: sei, per essere precisi. I quark "Up" e "down" sono i tipi più comuni, e questi sono i componenti dei protoni e dei neutroni degli atomi. I quark "strani", d'altra parte, non sono così comuni. Quando quark strani si combinano con quark su e giù in numeri uguali, creano una particella chiamata strangelet, e gli strangelet sono i frammenti ciuffi che si costruiscono in materia strana.

Ora, secondo l'ipotesi della materia strana, gli strangelet sono creati in natura quando una massiccia stella di neutroni - una stella collassata di massa elevata - costruisce tanta pressione che gli elettroni e i protoni nel suo nucleo si fondono insieme, quindi collassano ulteriormente in una sorta di denso bolla di quark, che chiamiamo materia strana. E poiché i grandi strangelet possono teoricamente esistere al di fuori di quegli ambienti al centro di alta pressione, è probabile che siano volati via da quelle stelle e in altri sistemi solari, incluso il nostro.

E qui è dove impazzisce: se queste cose esistessero, un grande strangelet sarebbe in grado di convertire il nucleo di un atomo in un altro strangelet, entrando in collisione con esso. Il nuovo strangelet potrebbe quindi entrare in collisione con più nuclei, convertendoli in più strangelet in una reazione a catena finché tutta la materia sulla Terra non sarà stata convertita in materia strana. In effetti, la struttura del Large Hadron Collider ha dovuto pubblicare un comunicato stampa in cui si dichiarava che era improbabile che avessero creato degli strangelet per distruggere il pianeta. È così che la comunità scientifica prende sul serio la questione degli strangelet.

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sparticelle

La teoria della supersimmetria afferma che ogni particella nell'universo ha una particella gemella opposta, nota come una particella supersimmetrica, o sparticola. Quindi, per ogni quark là fuori, c'è una sorella - una squadra - che condivide la perfetta simmetria con essa. Per ogni fotone c'è un fotino. E così via per tutte le sessantuno particelle elementari conosciute. Quindi se ce ne sono così tanti, perché non lo abbiamo scoperto qualunque di queste sparticole ancora?

Ecco la teoria: nella fisica delle particelle, le particelle più pesanti decadono più velocemente rispetto alle particelle più leggere. Se una particella diventa abbastanza pesante, si rompe quasi immediatamente una volta creata. Quindi, supponendo che le sparticelle siano incredibilmente pesanti, si rompono in un batter d'occhio, mentre i loro superpartner - le particelle che possiamo vedere e osservare - vivono. Questo potrebbe anche spiegare perché c'è così tanta materia nell'universo, ma preziosa piccola materia oscura, perché le sparticelle potrebbero comprendere la materia oscura ed esistere in un campo che è-così lontano-inosservabile.

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antiparticelle

La materia è fatta di particelle e, in modo simile, l'antimateria è costituita da antiparticelle. Tutto ciò ha senso, giusto? Le antiparticelle hanno la stessa massa delle particelle normali, ma una carica opposta e un momento angolare opposto (spin). Sembra la teoria della supersimmetria, ma a differenza delle particelle, le antiparticelle si comportano proprio come le particelle, anche costruendo in anti-elementi, come l'anti-idrogeno. Fondamentalmente, tutta la materia ha l'antimateria corrispondente.

O almeno, dovrebbe. Questo è il problema - c'è un sacco di argomenti in giro, ma l'antimateria non si vede davvero da nessuna parte. (Ad eccezione del Large Hadron Collider - la divulgazione completa, sono state trovate antiparticelle e non sono più teoriche).

Durante il Big Bang, avrebbe dovuto esserci un numero uguale di particelle e antiparticelle. L'idea è che tutta la materia nell'universo sia stata creata a quel punto. Quindi, per impostazione predefinita, tutta l'antimateria doveva essere creata allo stesso tempo. Una teoria è che ci sono altre parti dell'universo dominate dall'antimateria. Tutto ciò che possiamo vedere, anche le stelle più lontane, è per lo più materia. Ma il nostro universo visibile potrebbe essere solo una piccola parte dell'universo, mentre i pianeti antimateria, i soli e le galassie sciamano in una sfera diversa dell'universo, come elettroni e protoni carichi di opposizione che ruotano l'uno attorno all'altro in un atomo.

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gravitoni

In questo momento, le antiparticelle rappresentano un enorme problema nelle attuali teorie sulla fisica delle particelle. Ti interessa sapere di un altro problema? Gravità. Rispetto ad altre forze, come l'elettromagnetismo, la forza di gravità è più debole di uno starnuto attraverso una lotta a pugni. Sembra anche che cambi la sua natura in base alla massa di un oggetto: la gravità è facile da osservare nei pianeti e nelle stelle, ma portarla al livello molecolare e sembra fare tutto ciò che vuole. E in aggiunta a tutto ciò, non ha nemmeno una particella per trasportarla, come i fotoni che trasportano la luce.

È qui che entra in gioco il gravitone. Il gravitone è la particella teorica che permetterebbe alla gravità di adattarsi allo stesso modello di ogni altra forza osservabile.Poiché la gravità esercita una debole attrazione su ogni oggetto, indipendentemente dalla distanza, dovrebbe essere senza massa. Ma non è questo il problema: i fotoni sono senza massa e sono stati trovati. Siamo arrivati ​​al punto di definire i parametri esatti in cui un gravitone dovrebbe adattarsi, e non appena troviamo una particella, qualsiasi particella, che corrisponda a quei parametri, avremo un gravitone.

Trovarlo sarebbe importante perché, a partire da ora, la relatività generale e la fisica quantistica sono incompatibili. Ma a un certo livello di energia preciso, noto come la scala di Planck, la gravità smette di seguire le regole della relatività e scivola in regole quantistiche. Quindi risolvere il problema della gravità potrebbe essere la chiave per una teoria unificata.

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Graviphotons

C'è un'altra particella gravitazionale teorica, ed è assolutamente bellissima. Il graviphoton è una particella che verrebbe creata quando il campo gravitazionale è eccitato in una quinta dimensione. Deriva dalla teoria di Kaluza Klein, che propone che l'elettromagnetismo e la gravitazione possano essere unificati in un'unica forza a condizione che nello spazio-tempo vi siano più di quattro dimensioni. Un graviphoton avrebbe le caratteristiche di un gravitone, ma porterebbe anche le proprietà di un fotone e creerebbe ciò che i fisici chiamano una "quinta forza" (ci sono attualmente quattro forze fondamentali).

Altre teorie affermano che un graviphoton sarebbe un superpartner (come una sparticola) dei gravitoni, ma che in realtà attrarrebbe e respingerebbe allo stesso tempo. Facendo ciò, i gravitoni potrebbero teoricamente creare anti-gravità. E questo è solo nella quinta dimensione - la teoria della supergravità presuppone anche l'esistenza dei gravipotoni, ma consente undici dimensioni.

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Preons

Di cosa sono fatti i quark? Prima di tutto, diamo un'idea di scala. Il nucleo di un atomo d'oro ha settantanove protoni. Ogni protone è composto da tre quark. Ora, la larghezza del nucleo di quell'atomo d'oro è di circa otto femtometri trasversali. Sono otto milionesimi di nanometro e un nanometro è già un miliardesimo di metro. Quindi, siamo d'accordo sul fatto che i quark sono piccoli e rendersi conto che le particelle pre-sub-quark dovrebbero essere così infinitamente piccole che non c'è scala in questo momento che potrebbe misurare le loro dimensioni.

Ci sono altre parole usate per descrivere i blocchi teorici dei quark, inclusi primoni, sottoquark, quinks e tweedles, ma il "pre-ordine" è generalmente il più accettato. E i pre-comandi sono importanti perché in questo momento i quark sono una particella fondamentale: sono più bassi che puoi. Se fossero trovati compositi o fatti di altri pezzi, potrebbero aprire la porta a migliaia di nuove teorie. Ad esempio, una teoria in questo momento afferma che l'antimateria sfuggente dell'universo è in realtà contenuta nei precons, e quindi ogni cosa contiene bit di antimateria racchiusi al suo interno. Secondo questa teoria, sei parte dell'antimateria - non puoi vederlo perché i pezzi della materia si trasformano in blocchi più grandi.

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tachioni

Nulla si avvicina a violare le note leggi della relatività di un tachione. È una particella che si muove più velocemente della luce e, se esistesse, suggerirebbe che la barriera della luce è ... beh, non è più una barriera. In effetti, significherebbe che la velocità che conosciamo come la velocità della luce sarebbe il punto centrale - proprio come le particelle normali possono muoversi infinitamente lente (non muoversi affatto), un tachione esistente sull'altro lato della barriera sarebbe capace di muoversi infinitamente veloce.

Stranamente, la loro relazione con la velocità della luce sarebbe rispecchiata. Per dirla semplicemente, quando una particella normale accelera, il suo fabbisogno energetico aumenta. Per rompere effettivamente la barriera della velocità della luce, i suoi bisogni energetici aumenterebbero all'infinito - avrebbe bisogno di energia infinita. Per un tachione, più lentamente va, più energia ha bisogno. Mentre rallenta e si avvicina alla velocità della luce dall'altra parte, il suo fabbisogno energetico diventa infinito. Ma quando accelera, il fabbisogno energetico diminuisce, finché non ha bisogno di energia per muoversi a velocità infinita.

Pensalo come un magnete: hai un magnete attaccato a un muro e un altro alla tua mano. Quando spingi la calamita verso il muro con i poli allineati, il tuo magnete viene respinto. Più ti avvicini, più è difficile da spingere. Ora immagina dall'altra parte del muro un altro magnete, facendo la stessa cosa. Il magnete a parete è la velocità della luce, ei due magneti sono tachioni e particelle normali. Quindi, anche se esistessero tachioni, sarebbero rimasti intrappolati per sempre dalla parte opposta di una barriera che noi stessi non possiamo superare. Anche se, abbiamo dimenticato di dire che potrebbero essere tecnicamente imbrigliati per inviare messaggi nel passato.

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stringhe

Quasi tutte le particelle di cui abbiamo parlato fino ad ora sono chiamate particelle puntiformi; quark e fotoni esistono come un singolo punto, un piccolo puntino, se vuoi, con dimensioni zero. La teoria delle stringhe suggerisce che queste particelle elementari non sono in realtà punti, sono stringhe, filamenti di particelle a una dimensione dimensionale. Al suo centro, la teoria delle stringhe è una teoria di tutto che riesce a coesistere con la gravità e la fisica quantistica (basandosi su ciò che sappiamo in questo momento, questi due non possono esistere fisicamente nello stesso spazio - la gravità non funziona al punto livello).

Quindi in senso lato, la teoria delle stringhe è in realtà una teoria quantistica della gravità. E per fare un confronto, le stringhe sostituirebbero i preon come elementi costitutivi dei quark mentre ai livelli più alti tutto rimane lo stesso. E nella teoria delle stringhe, la stringa può trasformarsi in qualsiasi cosa in base al modo in cui è modellata. Se la corda è un filo aperto, diventa un fotone. Se le estremità di quella stessa corda si connettono e formano un cappio, diventa un gravitone - più o meno nello stesso modo in cui lo stesso pezzo di legno può diventare una casa o un flauto.

Esistono in realtà più teorie di stringhe e, interessante, ognuna predice un diverso numero di dimensioni. La maggior parte di queste teorie afferma che ci sono dieci o undici dimensioni, mentre la teoria delle stringhe bosoniche (o teoria delle superstringhe) richiede non meno di ventisei. In queste altre dimensioni, la gravità avrebbe una forza uguale o superiore rispetto alle altre forze fondamentali, spiegando perché è così debole nelle nostre tre dimensioni spaziali.

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Branes

Se vuoi davvero una spiegazione della gravità, devi guardare alla teoria M o alla teoria della membrana. Le membrane, o brane, sono particelle che sono in grado di racchiudere più dimensioni. Ad esempio, una brana a 0 è una brana a punta che esiste in dimensioni zero, come un quark. Una brana 1 ha una dimensione, una stringa. Una 2-brane è una membrana bidimensionale, e così via. Brane dimensionali più elevate possono avere qualsiasi dimensione, portando alla teoria che il nostro universo è in realtà una brana grande con quattro dimensioni. Quella brana, il nostro universo, è solo un pezzo di spazio multidimensionale.

E per quanto riguarda la gravità, la nostra brana quadridimensionale non può semplicemente contenerla, quindi l'energia della gravità si perde in altre brane mentre le passa nello spazio multidimensionale; abbiamo solo i dribbling di ciò che è rimasto, ed è per questo che sembra così debole rispetto ad altre forze.

Estrapolando ciò, ha senso che ci siano molte brane che si muovono attraverso questo spazio - brane infinite in uno spazio infinito. E da lì abbiamo le teorie dell'universo ciclico e multiverso. Quest'ultimo afferma che l'universo si muove da solo: si espande dall'energia del Big Bang, quindi la gravità riporta tutto nello stesso spazio per il Big Crunch. Quell'energia di compressione fa scoppiare un altro Big Bang, rimbalzando l'universo in un altro ciclo, come una cellula che esplode nella vita e poi muore.

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God Particle

Il bosone di Higgs, più comunemente noto come particella di Dio, fu trovato provvisoriamente il 14 marzo 2013 nel Large Hadron Collider (9). Come un po 'di storia, il bosone di Higgs fu inizialmente ipotizzato negli anni '60 come la particella che dà massa ad altre particelle.

Fondamentalmente, la particella di Dio è prodotta nel campo di Higgs ed è stata proposta come un modo per spiegare perché alcune particelle che avrebbero dovuto avere massa erano in realtà senza massa. Il campo di Higgs - che non era mai stato osservato - avrebbe dovuto esistere in tutto l'universo e fornire la forza necessaria affinché le particelle acquisissero la loro massa. E se fosse vero, riempirebbe enormi lacune nel Modello Standard, che è la spiegazione base di tutto letteralmente (eccetto, come sempre, la gravità).

Il bosone di Higgs è vitale perché dimostra che il campo di Higgs esiste e spiega come l'energia all'interno del campo di Higgs possa manifestarsi come massa. Ma è anche importante perché stabilisce un precedente; prima che fosse scoperto, il bosone di Higgs era solo una teoria. Aveva modelli matematici, parametri fisici che gli avrebbero permesso di esistere, come dovrebbe girare, tutto. Non avevamo alcuna prova della sua esistenza. Ma sulla base di quei modelli e teorie, siamo stati in grado di individuare una particella specifica - la più piccola cosa nell'universo conosciuto - che corrispondesse a tutto ciò che avremmo ipotizzato.

Se riusciamo a farlo una volta, chi può dire che una di queste particelle non potrebbe essere reale? Tachioni, strangelet, gravitoni - particelle che sposterebbero tutto ciò che sappiamo sulla vita e sull'universo e ci avvicinerebbero alla comprensione effettiva dei fondamenti del mondo in cui viviamo.

Andrew Handley

Andrew è uno scrittore freelance e il proprietario del sexy, sexy HandleyNation Content Service. Quando non sta scrivendo, di solito fa escursionismo o arrampicata su roccia, o semplicemente si gode la fresca aria del North Carolina.