Насколько малы самые маленькие частицы во Вселенной и есть ли они?

Из чего состоит Вселенная на самом базовом, фундаментальном уровне? Существует ли мельчайший из возможных кирпичик или набор кирпичиков, из которых можно построить буквально все в нашей Вселенной и которые нельзя разделить на что-то еще меньшее? На этот вопрос у науки есть много интересных ответов, впрочем, которые нельзя назвать финальными и окончательными.
Потому что в физике всегда есть место для неопределенности, особенно когда речь заходит о том, что мы найдем в будущем.

Если бы вы хотели узнать, из чего состоит Вселенная, с чего бы вы начали? Тысячи лет назад воображение и логика были лучшими инструментами, доступными человеку. Мы знали о материи, но понятия не имели, из чего она состоит. Предполагалось, что существует несколько фундаментальных ингредиентов, которые можно совмещать и объединять — разными способами, в разных условиях — чтобы создать все сущее.
Мы могли экспериментально продемонстрировать, что материя, будь она твердая, жидкая или газообразная, занимает пространство. Мы могли показать, что она обладает массой. Мы могли объединить ее в большие количества или разбить на более мелкие. Но разбить материю и получить доступ к мельчайшим компонентам, которые покажут, насколько «фундаментальной» она может быть, это уже немного другое. Этого мы не могли.
Некоторые считали, что материя может состоять из разных элементов, таких как огонь, земля, воздух и вода. Другие считали, что существует лишь один фундаментальный компонент реальности — монада — из которой все остальное получается и собирается. Другие же, такие как пифагорейцы, полагали, что должна существовать геометрическая математическая структура, устанавливающая правила для реальности, а сборка этих структур привела к появлению известной нам Вселенной.
Идея того, что истинно фундаментальная частица действительно существует, впрочем, восходит к Демокриту Абдерскому, который жил 2400 лет назад. Хотя это была всего лишь идея, Демокрит считал, что вся материя состоит из неделимых частиц, которые он назвал атомами («ἄτομος» по-гречески означает «неделимый»). Атомы, по его мнению, объединяются на фоне пустого пространства. Хотя его идеи содержали много других странных деталей, понятие фундаментальных частиц закрепилось и осталось.
Возьмите любой кусочек материи, который хотите, и попробуйте его разрезать. Затем разбейте его еще на меньшие части. Каждый раз, когда вам это удается, разбивайте и разбивайте, пока сама идея разрезания не потеряет смысл: следующий слой будет толще вашего «ножа». Макроскопические объекты становятся микроскопическими; сложные соединения становятся простыми молекулами; молекулы становятся атомами; атомы становятся электронами и атомными ядрами; атомные ядра становятся протонами и нейтронами, которые и сами делятся на кварки и глюоны.
На самом меньшем из возможных уровней мы можем свести все, что знаем, к фундаментальным, неделимым, подобным частицам объектам: кваркам, лептонам и бозонам Стандартной модели.
Что касается физических величин, они определяются правилами квантовой физики. Каждый квант во Вселенной — структура с ненулевой энергией — может быть описан как содержащий определенное количество энергии. Поскольку все, что существует, можно описать как в виде частицы, так и в виде волны, вы можете установить ограничения и пределы на физические размеры для любых таких квантов.
В то время как молекулы могут прекрасно описывать реальность на нанометровом уровне (10-9 метра), а атомы прекрасно описывают реальность в масштабах Ангстрема (10-10 метра), атомные ядра еще меньше, и отдельные протоны и нейтроны уходят в масштабы до фемтометра (10-15) метра. Частицы Стандартной модели и того меньше. На энергиях, которые мы смогли опробовать, мы можем с уверенностью сказать, что все известные частицы являются точечными и структурно-свободными до 10-19метров.
Лучшие из наших экспериментальных знаний позволяют нам назвать эти частицы фундаментальными по своей природе. Частицы и античастицы, а также бозоны Стандартной модели являются фундаментальными с экспериментальной и теоретической точек зрения. И чем выше энергии частиц, тем острее проявляется структура реальности.
Большой адронный коллайдер позволяет нам ограничить масштабы фундаментальных частиц таким образом, но коллайдеры будущего или чрезвычайно чувствительные эксперименты с космическими лучами могли бы продвинуть нас на много порядков дальше: до 10-21 или даже до 10-26 для самых экстремальных энергетически космических лучей.
При всем этом, эти идеи накладывают ограничения только на то, что мы знаем и можем утверждать. Из них следует, что если мы сталкиваем частицу (или античастицу, или фотон) с некоторым количеством энергии с другой частицей в состоянии покоя, то пораженная частица будет вести себя в фундаментально точечной манере в пределах наших экспериментов, детекторов и достижимых энергий. Эти эксперименты устанавливают эмпирический предел того, насколько большими могут быть мыслимые фундаментальные частицы, и коллективно называются экспериментами по глубокому неупругому рассеянию.
Значит ли это, что эти частицы действительно фундаментальны? Вовсе нет. Они могут быть:
и далее делимы, то есть их можно разбить на компоненты поменьше;
резонансом друг друга, когда более тяжелые «кузены» легких частиц представляют возбужденное состояние или составные версии легких;
вовсе не частицами, а скорее частицами на вид с более глубокой нижележащей структурой.
Эти идеи изобилуют сценариями вроде техниколора (и эти сценарии были ограничены после обнаружения бозона Хиггса, однако не исключены), но наиболее заметно представлены в теории струн.
Нет никакого непреложного закона, требующего, чтобы все было сделано из частиц. Реальность на основе частиц — это теоретическая идея, которая поддерживается и согласуется с экспериментами, но наши эксперименты ограничены в энергии и той информации, которую могут рассказать нам о фундаментальной реальности. В сценарии вроде теории струн все так называемые «фундаментальные частиц» могут быть не более чем струной, вибрирующей или вращающейся с определенной частотой, обладающей открытой (с двумя не связанными концами) природой или закрытой (когда два конца связаны). Струны могут расщепляться, образуя два кванта там, где до этого был один, либо соединяться, создавая один квант из двух ранее существующих.
На фундаментальном уровне нет никакого требования, чтобы компоненты нашей Вселенной были нуль-мерными точечными частицами.
Существует множество сценариев, в которых неразгаданные тайны нашей Вселенной, такие как темная материя и темная энергия, вообще не состоят из частиц, а скорее из жидкости или представлены свойством пространства. Природа пространства-времени сама по себе неизвестна; оно может быть фундаментально квантовым или неквантовым по природе, может быть дискретным или непрерывным.
Частицы, известные нам сейчас, которые мы считаем фундаментальными, могут иметь либо конечный, ненулевой размер в одном или более измерений, либо они могут быть истинно точечными, потенциально вплоть до длины Планка или даже меньше.
Самое важное, что нужно понимать, это то, что все, что мы знаем в науке, это условности. В том числе фундаментальность частиц. Нет ничего, что было бы незыблемо или неизменно. Все наши научные знания — это лишь самое лучшее приближение к реальности, которое нам удалось построить к настоящему времени. Теории, которые наилучшим образом описывают нашу Вселенную, могут объяснить все наблюдаемые явления, создавать новые, мощные, проверяемые предсказания и не имеют альтернатив.
Но это не значит, что правильны в любом абсолютном смысле. Наука всегда стремится собирать больше данных, изучать новую территорию и сценарии и пересматривать себя, если возникнет конфликт. Частицы, известные нам, выглядят фундаментальными сегодня, но это не гарантирует, что природа будет продолжать указывать на существование более фундаментальных частиц, если мы продолжит погружение в суть этих частиц.