Олег Фейгин: Взрыв мироздания

Антиматерия – материя, состоящая из античастиц. Ядра атомов антивещества состоят из антинуклонов, а внешняя оболочка – из позитронов. Возможность существования антивещества следует из полной симметричности законов природы относительно ядерного взаимодействия между антинуклонами и нуклонами, что обеспечивает существование антиядер. Антиядра обладают массой и энергетическим спектром такими же, как у ядер, состоящих из соответствующих нуклонов. Электромагнитное взаимодействие позитронов и ядер антивещества приводит к образованию атомов антивещества, причем атомы антивещества и вещества должны иметь идентичную структуру. Столкновение объекта, состоящего из вещества, с объектом из антивещества приводит к аннигиляции входящих в их состав частиц и античастиц. Аннигиляция медленных электронов и позитронов ведет к образованию гамма-квантов, а аннигиляция медленных нуклонов и антинуклонов – к образованию нескольких мезонов. В природе атомы антивещества пока не обнаружены.

Античастица – каждому типу частиц соответствуют свои античастицы, характеризуемые противоположными зарядами. Когда частица сталкивается с античастицей, они аннигилируют, оставляя только энергию.

Атом – наименьшая возможная частица любого из простейших химических веществ, называемых элементами. Понятие атома, как и само слово, – древнегреческого происхождения, но только в XX веке истинность атомной гипотезы была твердо установлена. Основная идея, остававшаяся привлекательной для научного и поэтического воображения во все века, состоит в том, что за непрерывными изменениями наблюдаемого мира кроется некий неизменный мир. Этот мир прост, ибо каждый из атомов тождествен всем остальным атомам того же рода, обладает сравнительно простой структурой и существовал от начала времен. Эти идеи с некоторыми оговорками можно рассматривать как концентрированное выражение самой сути даже абстрактной и изощренной современной теории. Подобно самим атомам, они являются наиболее стойкими из всех идей античной науки. Атом состоит из крошечного ядра (сложенного из протонов и нейтронов), окруженного обращающимися вокруг него электронами.

Атомное ядро – центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса и структура которого определяет химический элемент, к которому относится атом. Размеры ядер различных атомов составляют от одного фемтометра, что в 100 тысяч раз меньше размеров самого атома. Масса ядер примерно в 4000 раз больше массы входящих в атом электронов и сильно зависит от количества входящих в него частиц и энергии их связи.

Атомное ядро состоит из нуклонов – положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые связаны между собой при помощи внутриядерного сильного взаимодействия. Атомное ядро, рассматриваемое как класс частиц с определенным числом протонов и нейтронов, часто называется нуклидом. Количество протонов в ядре называется его зарядовым числом Z – это число равно порядковому номеру элемента, к которому относится атом в таблице Менделеева. Количество протонов в ядре полностью определяет структуру электронной оболочки нейтрального атома и, таким образом, химические свойства соответствующего элемента. Количество нейтронов в ядре называется его изотопическим числом N. Ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называются изотопами. Ядра с одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов называются изотонами. Термины изотоп и изотон используются также применительно к атомам, содержащим указанные ядра, а также для характеристики нехимических разновидностей одного химического элемента. Полное количество нуклонов в ядре называется его массовым числом A (очевидно A = N + Z) и приблизительно равно средней массе атома, указанной в таблице Менделеева. Как и любая квантовая система, ядра могут находиться в метастабильном возбужденном состоянии, причем в отдельных случаях время жизни такого состояния исчисляется годами. Такие возбужденные состояния ядер называются ядерными изомерами.

Большой взрыв – космологический сценарий, по которому все вещество Вселенной в самом начале начале находилось в точке сингулярности микроскопических размеров со сверхвысокой плотностью и температурой. Известные физические законы стали действовать начиная с размеров атомного ядра. В первую секунду образовались фундаментальные частицы вещества – кварки, антикварки и фотоны электромагнитного излучения. Затем из них образовались протоны, антипротоны и нейтроны. Между частицами и античастицами началась аннигиляция, заполнив Вселенную излучением. К исходу первой секунды температура упала до 10 млрд градусов, образовались другие элементарные частицы, и обычное вещество окончательно стало преобладать над антиматерией. К третьей минуте из четверти всех протонов и нейтронов образовались ядра гелия. Через несколько сотен тысяч лет расширяющаяся Вселенная остыла настолько, что ядра гелия и протоны смогли удерживать возле себя электроны, образуя атомы водорода и гелия. Вселенная наполнилась микроволновым излучением, которое сейчас фиксируется как реликтовое. Это излучение служит главным аргументом теории Большого взрыва.