الكون مكان كبير ، لكنه مصنوع من قطع صغيرة. ال الجدول الدوري يتضمن عناصر مثل الأكسجينو كربون وغيرها من اللبنات الأساسية التي تشكل النجوم أو القطط أو أكواب القهوة. ولكن منذ مطلع القرن العشرين ، كان العلماء يفكرون في العثور على جسيمات أساسية أصغر وأصغر – تلك الأصغر منها ذرات التي تملأ الكون. إذن أي من هذه الجسيمات الأساسية هو الأصغر؟ وعلى العكس ، أيهما أكبر؟
دون لينكولن ، أحد كبار العلماء في مختبر فيرمي الوطني للمسرعات (فيرميلاب) ، بالقرب من شيكاغو ، هو أحد العلماء الذين يحاولون الإجابة على هذا السؤال. في Fermilab ، يستخدم العلماء مسرع الجسيمات لتحطيم الجسيمات الفردية معًا والنظر إلى الحطام – أو الجسيمات الأساسية الجديدة المحتملة – التي تخرج. قال لينكولن إن هناك طريقتين لقياس حجم الجسيمات: فحص كتلتها وقياس حجمها المادي ، مثل حساب قطر الكرة.
متعلق ب: كيف تزن الذرة؟
من حيث الكتلة ، هذه الأسئلة سهلة الإجابة نسبيًا. أدنى جسيم غير صفري نعرفه هو نيوترينوقال لينكولن. ومع ذلك ، أشار إلى أننا لا نملك القياس الدقيق لكتلة النيوترينو لأن الأدوات المستخدمة لحساب كتلة الجسيمات الأساسية ليست حساسة بدرجة كافية.
قال لينكولن: “النيوترينو جسيم ، نوع من شبح العالم دون الذري”. تتفاعل النيوترينوات مع المادة بشكل ضعيف للغاية وهي ثاني أكثر الجسيمات وفرة بعد الفوتونات (التي تتصرف مثل الموجات أكثر من الجسيمات الفعلية). في الواقع ، هناك تريليونات من النيوترينوات تمر عبرك في هذه اللحظة بالذات. لا تزن النيوترينوات شيئًا تقريبًا وتنتقل بسرعة قريبة من سرعة الضوء.
تتكون النواة الذرية من نيوترونات وبروتونات وإلكترونات. قال لينكولن إن البروتونات والنيوترونات نفسها تبلغ حوالي عُشر حجم النواة ككل. الإلكترون لديه كتلة قريبة من الصفر ، لكنه في الواقع يزن 500000 مرة أكثر من النيوترينو (مرة أخرى ، من المستحيل قياسه بدقة في هذه المرحلة).
قال لينكولن إن الفيزيائيين يستخدمون إلكترون فولت (eV) لقياس كتلة الجسيمات دون الذرية. من الناحية الفنية ، الوحدة هي eV / c ^ 2 ، حيث c هي سرعة الضوء. يعادل إلكترون واحد فولت حوالي 1.6 × 10 ^ -19 جول. لتبسيط الأمور ، يستخدم الفيزيائيون مجموعة من الوحدات تكون سرعة الضوء بواسطتها 1. لمعرفة كتلة الجسيم دون الذري ، يمكنك إذن استخدام ألبرت أينشتاين المعادلة الشهيرة E = mc ^ 2 للحصول على الكتلة (م) بالكيلوجرام.
يزن الإلكترون 511 ألف إلكترون فولت ، أي ما يعادل 9.11 × 10 ^ -31 كيلوجرامًا ، وفقًا لنكولن. للمقارنة ، يزن البروتون النموذجي في نواة ذرة نموذجية 938 مليون إلكترون فولت ، أو 1.67 × 10 ^ -27 كجم.
على العكس من ذلك ، فإن أكبر جسيم أساسي نعرفه (من حيث الكتلة) هو جسيم يسمى كوارك القمة ، ويقيس 172.5 مليار إلكترون فولت ، وفقًا لنكولن. الكواركات هي جسيم أساسي آخر لا يمكن ، على حد علمنا ، تقسيمه إلى أجزاء أخرى. وجد العلماء ستة أنواع من الكواركات: علوي ، سفلي ، غريب ، ساحر ، سفلي ، علوي. تشكل الكواركات العلوية والسفلية البروتونات والنيوترونات ، وتزن 3 ملايين و 5 ملايين إلكترون فولت على التوالي. وبالمقارنة ، فإن وزن الكوارك العلوي يزيد بمقدار 57500 مرة عن وزن الكوارك العلوي.
من الصعب الإجابة على سؤال الحجم المادي. نحن نعرف الحجم المادي لبعض الجسيمات ، ولكن ليس أصغرها. بعض الجسيمات “الدقيقة” التي يسمع عنها الناس في الحياة اليومية ، مثل جزيئات الفيروس ، هي في الواقع كبيرة جدًا.
قدم لينكولن هذا الإحساس بالحجم: يبلغ طول جسيم الفيروس النموذجي حوالي 250 إلى 400 نانومتر (النانومتر هو جزء من المليار من المتر ، أو 10 ^ -9 م) ، والنواة الذرية النموذجية تقيس حوالي 10 ^ -14 م (0.00000000000001) م). هذا يعني أن النواة الذرية صغيرة بالنسبة للفيروس مثل الفيروس بالنسبة لنا.
في الوقت الحالي ، أصغر حجم مادي يمكن للعلماء قياسه باستخدام مسرع الجسيمات هو 2000 مرة أصغر من البروتون ، أو 5 × 10 ^ -20 م. حتى الآن ، كان العلماء قادرين على تحديد أن الكواركات أصغر من ذلك ، ولكن ليس بكميتها.
نُشر في الأصل على Live Science.
“هواة الإنترنت المتواضعين بشكل يثير الغضب. مثيري الشغب فخور. عاشق الويب. رجل أعمال. محامي الموسيقى الحائز على جوائز.”