Природа использует всевозможные интересные и часто простые процессы для генерации удивительных фигур, паттернов и форм любых размеров, которые никогда не перестают удивлять и вдохновлять внимательного наблюдателя. От микроскопического до космического уровня материя выстраивается, упорядочивается и преобразуется при помощи логичных наблюдаемых процессов, часто накладывающихся друг на друга сложным образом.

В этой статье мы поговорим об одном из таких процессов, называемом агрегацией, ограниченной диффузией (diffusion-limited aggregation, или DLA), создающем фрактальные ветвящиеся структуры при помощи случайного движения и липких частиц (подробнее о них позже). Свидетельства этого процесса можно найти в природе в различных масштабах и в органических, и в неорганических системах, например:



Наверху: кластер DLA, выращенный из раствора медного купороса в ячейке для электроосаждения; внизу: коллоидный диоксид кремния с площадью поверхности 130 м²/г



Наверху: наслоение металлической пыли от работы отрезной пилы; внизу: фигура Лихтенберга в куске оргстекла.



Наверху: пример морозных узоров на стекле; внизу: образец дендритов двуокиси марганца на известняковом осадочном слое из Зольнхофена, Германия.

Что такое агрегация, ограниченная диффузией?

Агрегация, ограниченная диффузией, впервые описанная Томасом Уиттеном и Леонардом Сэндером в их выдающейся статье 1981 года Diffusion-Limited Aggregation, a Kinetic Critical Phenomenon это процесс слипания частиц материи (агрегации) при их хаотическом движении (диффузии) в среде, обеспечивающей некую противодействующую (ограничивающую) силу. Со временем такие частицы слипаются, образуя характерные фрактальные ветвящиеся структуры, называемые броуновскими деревьями.

Для иллюстрации процесса представьте, что у вас есть несколько теннисных мячей, покрытых особым волшебным клеем, который приклеивается только к себе, то есть эти мячи крепко соединяются друг с другом, но не прикрепляются к полу, стенам или другим объектам. Положим один мяч на пол небольшой комнаты и начнём случайным образом вбрасывать туда остальные теннисные мячи, не целясь куда-то конкретно.

Рано или поздно некоторые из этих мячей столкнутся или с первым мячом, или с другими вброшенными мячами и начнут образовывать прочные кластеры. При вбрасывании дополнительных мячей эти кластеры растут и создают сложные кустообразные структуры.

Теперь представьте, что мы повторим этот эксперимент в гораздо большем здании, например, на заводском складе, и разбросаем повсюду многие тысячи липких теннисных мячей. Со временем мы увидим, как обретают форму большие кластеры мячей, похожие на показанные выше фотографии!

У Дэна Шифмана есть отличное, более наглядное объяснение процесса:


В природе эти липкие теннисные мячи/случайные блуждатели могут быть ионизированными атомами, поляризованными молекулами, заряженными взвешенными частицами или любым количеством других частиц материи, имеющих склонность ко взаимному слипанию. Если эти частицы будут двигаться хаотичным (или полухаотичным) образом и иметь при этом склонность к слипанию, то благодаря процессу агрегации, ограниченной диффузией, будут возникать узнаваемые фрактальные ветвящиеся структуры!

Замечания о технической реализации

Чтобы реализовать этот процесс в коде, нам нужно сначала определить основные объекты и силы, которые мы хотим моделировать. Исходя из описанного выше, логично создать некую структуру данных, обозначающую частицу (теннисный мяч), таким образом, чтобы нам легко было перемещать её по экрану и определять столкновения с другими частицами, чтобы их можно было склеить. И поскольку мы будем иметь дело со множеством частиц, нам понадобится удобный способ их эффективного отслеживания.

Когда частицы перемещаются свободно, они называются блуждающими (walkers). Когда они слипаются, то вместе их называют кластерами.

Системы частиц, пространственное индексирование и распознавание коллизий

Самым грубым способом реализации был бы простой массив объектов частица, который мы постоянно обходим в цикле, применяем к нему силы, а затем проверяем каждую другую частицу на коллизии. Однако при увеличении масштаба симуляции этот способ сильно влияет на производительность, потому что при росте размеров кластеров увеличиваются затраты на необязательные вычисления.

Лучше будет использовать какую-нибудь структуру данных или пакет, способный отслеживать все частицы и позволяющий эффективно определять близкие частицы, проверяя их коллизии. Существует несколько стандартных пакетов, которые могут полностью или частично помочь в выполнении этих задач (D3.js, Matter.js, Toxiclibs.js и другие), но мне показалось, что все они гораздо сложнее, чем требуется нам на самом деле.

После кратких поисков я наткнулся на очень удобный, надёжный и лёгкий пакет под простым названием collisions, отслеживающий частицы при помощи внутреннего пространственного индекса и обеспечивающий сверхэффективное распознавание коллизий на основании формы частиц.

Движение

Чтобы вдохнуть немного жизни в систему, нам также нужно подумать о движении этих частиц и силах, производящих эти движения. Для большинства людей классическим подходом будет движение каждой неслипшейся частицы на небольшую случайную величину в каждом цикле, обеспечивающее так называемое броуновское движение. Вполне хватит чего-то простого наподобие particle.x|y += Math.random(-1,1).

На молекулярном уровне это похоже на тепловые колебания, связанные с температурой системы чем выше температура, тем быстрее колеблются частицы. В других масштабах такое движение может быть результатом множества взаимодействующих и накладывающихся друг на друга сил ветра, давления, поверхностного натяжения, гравитации, электромагнитных сил, и так далее.

Это движение не обязано быть совершенно хаотичным; на самом деле, при комбинировании броуновского движения с направленными или вращающими силами могут создаваться очень интересные эффекты, которые мы рассмотрим ниже.

Сетки использовать или нет?

В первой реализации DLA, описанной в 1981 году Т. Уиттеном и Л. Сэндером, частицы ассоциировались с отдельными пикселями экрана, то есть весь процесс происходил в равномерной сетке квадратов. В то время это было совершенно логично, потому что реализация была основана на предыдущих исследованиях в областях математики и физики, в частности, на модели роста Идена, предложенной Мюрреем Иденом в 1961 году. Также к этой тематике относятся клеточные автоматы, решётчатая модель, кристаллография/структура кристаллов/рост кристаллов и теория матриц.

Любопытно, что такая система на основе сеток значительно упрощала распознавание коллизий и устраняла необходимость в пространственном индексе и вообще в системе частиц, потому что каждый пиксель/частицу можно было проверить на коллизии простым изучением состояния 8 ближайших пикселей-соседей. На самом деле этот подход настолько быстр, что и сегодня является одной из самых быстрых техник!

Конечно, мы можем воссоздать эту реализацию сегодня и воспользоваться теми же преимуществами скорости, но она имеет некоторые компромиссы. Во-первых, хотя плотность пикселей современных экранов гораздо выше, чем в 1981 году, они всё равно имеют ограниченное количество пикселей, поэтому симуляция будет ограничена определённым масштабом. Во-вторых, из-за привязки пикселей к сетке при таком подходе всегда будут создаваться изображения с характерным растровым (блочным) внешним видом.

Первый из этих компромиссов можно компенсировать переходом к виртуальной сетке вместо пикселей экрана. Можно создать сетку произвольного, даже динамического размера, которую можно масштабировать, перемещать и поворачивать вне зависимости от размеров экрана, почти как Google Maps. Я бы с удовольствием посмотрел, как кто-нибудь попробует это сделать и поделится результатами!

Однако второй компромисс обойти сложнее. Я хотел увидеть, что процесс DLA может создать при неравномерной и неквадратной форме частиц, поэтому я решил, что для широких возможностей в экспериментах в любом случае придётся отделить частицы от структуры сетки. Однако в таком случае придётся использовать такие инструменты, как пространственное индексирование и более сложное распознавание коллизий, которые неизбежно повлияют на производительность. С моей точки зрения этот компромисс между скоростью и гибкостью эстетики стоил того, по крайней мере, для моей серии исследовательских экспериментов. Кроме того, если я найду понравившийся мне эффект, то всегда смогу потом выполнить рефакторинг кода, чтобы оптимизировать его под этот эффект!

Подготовка проекта

Хватит теории давайте что-нибудь создадим!

В основе моей реализации лежит p5.js, потому что он полезен своими функциями рисования на <canvas>, а также JavaScript в стиле ES6, транспилированный на ES5 под браузеры текущего поколения при помощи скриптов Webpack и NPM. Подробнее см. в файлах webpack.config.js и package.json.

В процессе создания моей реализации я использовал следующие пакеты, доступные через NPM:

• collisions для надёжного и лёгкого распознавания коллизий без использования пакета полной физики. В этот пакет входит иерархия ограничивающих объёмов (bounding volume hierarchy) (BVH), используемая для пространственного индексирования.
• svg-pathdata для парсинга информации контуров из файлов SVG, позволяющего создавать собственные формы.
• svg-points для генерации атрибута d SVG-элементов <path> для экспорта векторных изображений.
• file-saver для инициализации скачивания экспортированных файлов SVG на машину пользователя.

Так как я знал, что хочу провести по этой теме несколько экспериментов, то решил отделить мой относящийся к DLA код от эскизов p5.js, чтобы каждый эскиз был связан только с конфигурацией и выполнением процесса DLA, как будто он является сторонним пакетом. Для этого я создал папку ./core со следующими модулями:

• DLA.js управляет самой симуляцией и выполняет её. Вызывает функцию iterate() для шага вперёд на один цикл и функцию draw() для отрисовки всех частиц на экране. Также раскрыта целая куча других функций, что позволяет создавать всевозможные интересные конфигурации!
• Defaults.js объект, содержащий в себе параметры конфигурации, которые могут переопределяться отдельными эскизами.

Техническая документация этих модулей и их функций на основе JSDoc находится здесь.

Весь исходный код моих экспериментов выложен на Github:jasonwebb/2d-diffusion-limited-aggregation-experiments.

А поиграться со всеми этими экспериментами в браузере можно здесь:

2D diffusion-limited aggregation (DLA) experiments in JavaScript

Глобальные клавиатурные команды

Данные команды доступны во всех эскизах:

• Space приостановка/продолжение симуляции
• w переключение видимости блуждающих частиц
• c переключение видимости частиц в кластерах
• r сброс симуляции с текущими параметрами
• f переключение отображения рамки
• l переключение эффекта рендеринга линий
• e экспорт в файл SVG того, что в данный момент находится на экране
• 19 переключение между вариациями, если они есть

Эксперимент 01 простая DLA

Давайте сразу создадим эскиз с использованием простейшей возможной конфигурации набора случайно расположенных порождающих частиц и набора случайно расположенных и случайно движущихся блуждающих частиц, имеющих одинаковый размер и форму.

В моей реализации достаточно было использовать стандартную функциональность модуля DLA.js со стандартными функциями блуждания и создания кластеров (createDefaultWalkers() и createDefaultClusters()).

• Посмотреть исходный код этого эксперимента
• Поиграться с экспериментом в браузере

Эксперимент 02 отклонение направления

Теперь давайте добавим блуждающим частицам дополнительную силу движения (называемую отклонением), чтобы они накапливались интересным, частично прогнозируемым образом.

Эту силу отклонения можно добавить в дополнение к стандартному броуновскому движению, чтобы частицы всё равно имели характерное случайное поведение, в то же время двигаясь в каком-то конкретном направлении. Сила может прикладываться вдоль только горизонтальной или вертикальной осей (или обеих), или даже согласно заданной формуле (чтобы посмотреть на это, перейдите к эксперименту 07).

В моей реализации направленное отклонение движения можно добавить изменением значения глобального параметра BiasTowards (или в Defaults.js, или в локальном файле Settings.js) на строку, описывающую направление движения, в котором должжны перемещаться частицы. Можно использовать для BiasTowards следующие значения 'Left', 'Right', 'Up', 'Down', 'Center', 'Edges', 'Equator' и 'Meridian'.

Чтобы дать частицам то, с чем они могли бы сталкиваться и скапливаться, я добавил стенки из кластерных частиц, передавая строку 'Wall' во время создания новых кластеров при помощи createDefaultClusters(). Когда этот параметр задан, линия из кластерных частиц будет создана на стене (или стенах), противоположных направлению, заданному в BiasTowards. Например, если BiasTowards имеет значение 'Left', то createDefaultClusters('Wall') будет создавать линию из кластерных частиц вдоль правой стены.

• Просмотреть исходный код этого эксперимента
• Поиграться с экспериментом в браузере

Наверху частицы смещаются вниз; внизу частицы смещаются к центру (только по X).



Наверху частицы создаются в центре и имеют отклонение от центра; внизу частицы создаются по краям и имеют отклонение к центру.

Эксперимент 03 разные размеры

Теперь давайте посмотрим, что произойдёт, если мы будем будем варьировать размеры блуждающих частиц. Будет ли ветвящаяся структура выглядеть иначе, и сформируется ли вообще?

В этом эксперименте я придумал для интересных способа варьирования размеров блуждающих частиц пропорционально расстоянию от центра и случайно в пределах определённого интервала.

Чтобы включить эти эффекты в моём коде, задайте для или VaryDiameterByDistance, или для VaryDiameterRandomly значение true. Чтобы оба этих эффекта работали правильно, нужно также указать верхний и нижний предел диаметров частиц, передав массив из двух значений [lower, upper] в параметре CircleDiameterRange. Как это делается, можно посмотреть в файле Settings.js этого эскиза.

Как выяснилось, характерная фрактальная ветвящаяся структура броуновского дерева сама по себе возникает во всех этих вариациях! Это хорошая иллюстрация самоподобия природы фракталов, демонстрирующая, что похожие (иногда одинаковые) структуры могут возникать в разных масштабах.

• Посмотреть код этого эксперимента
• Поиграться с экспериментом в браузере

Наверху: увеличение диаметра частиц в зависимости от расстояния до центра; Внизу: случайное варьирование диаметров частиц

Эксперимент 04 различные формы

Что произойдёт, если мы немного поиграемся с формой блуждающих частиц? Повлияет на ветвящуюся структуру геометрия частиц?

В моей реализации все частицы по умолчанию являются кругами, потому что я решил, что это наиболее распространённая конфигурация. Однако пакет collisions также позволяет использовать отдельные точки или произвольные многоугольники, задаваемые массивами точек. Мне так и не удалось заставить правильно работать режим отдельных точек, зато многоугольники работают замечательно!

Уверен, что если бы мне удалось заставить симуляцию работать через пакет collisions с отдельными точками, то повышение производительности оказалось бы значительным. Пакет использует для разных фигур разные алгоритмы распознавания коллизий, поэтому я не удивился бы, если бы он использовать сетку с подсчётом соседей, почти как в работе 1981 года Т. Уиттена и Л. Сэндера!

Для создания многоугольных фигур достаточно передать массивы координат модулю createWalker() алгоритма DLA. У формы этих фигур не так много ограничений, однако в документации к пакету collisions упоминается, что он не поддерживает вогнутые многоугольники (многоугольники с вмятинами).

В своих эскизах я решил использовать правильные многоугольники разных размеров и с разной величиной поворота. Так как эти многоугольники обладают радиальной симметрией, для изменения общей формы достаточно изменить количество вершин. Например, три вершины для треугольников, четыре для квадратов, и так далее.

Любопытно, что те же фрактальные ветвящиеся структуры снова возникают, опять-таки демонстрируя самоподобную природу фракталов. Можно сделать и ещё одно наблюдение с уменьшением вершин (а значит, и общего размера), ветвящиеся структуры стремятся стать более плотными, что вполне логично, ведь простые полигоны при агрегации обычно оставляют бОльшие зазоры.

• Посмотреть исходный код эксперимента
• Поиграться с экспериментом в браузере

Наверху: треугольники; второе изображение: квадраты; третье изображение: пятиугольники; внизу: случайное количество сторон, от 3 до 6.

Эксперимент 05 SVG как начальные данные

До этого момента я использовал довольно простые начальные условия для выполнения процесса DLA всего лишь отдельные точки или линии (стенки) точек. Следующим логичным шагом стало добавление произвольной геометрии при помощи внешних файлов SVG.

Для этих экспериментов я реализовал новый модуль (SVGLoader.js), считывающий очень простые файлы SVG и возвращающий массивы координат каждого контура (<path>), которые можно использовать для построения многоугольников непосредственно через пакет распознавания коллизий. После чего коллизии блуждающих частиц нужно проверять и с кластерными частицами, и с этими нарисованными фигурами.

Чтобы упростить свою жизнь, я сделал так, что модуль SVGLoader может принимать только определённые файлы SVG. Если вы захотите использовать собственные файлы SVG, то они должны отвечать следующим критериям:

1. Формат файла должен быть как можно более простым. В Inkscape нужно сохранять файл как plain SVG. Возможно, придётся открыть файл SVG и немного его упростить. Для понимания взгляните на содержимое файлов в папке ./svg.

2. Все координаты должны быть абсолютными.

3. Принимаются только прямые линии никаких дуг, окружностей, кривых и т.д. Можно аппроксимировать кривые, добавив множество дополнительных узлов и преобразовав их в прямые сегменты.

На этот раз мы получили очень красивые и органично выглядящие результаты, потому что характерные ветвящиеся структуры растут на поверхностях наших фигур естественно и случайно. Мне такие эксперименты начинают казаться по-настоящему интересными!

Во всех предыдущих экспериментах использовались очень простые, схематичные условия, которые помогали в изучении самого фундаментального процесса. Однако теперь, когда мы начали работать с произвольной геометрией, возникают действительно творческие результаты. Вот всего лишь несколько простых примеров, которые мне удалось придумать, но я бы с удовольствием посмотрел, что вы создадите самостоятельно!

• Посмотреть исходный код эксперимента
• Поиграться с экспериментом в браузере

Наверху: текст, преобразованный в контуры SVG; внизу: различные многоугольники, сопряжённые друг с другом булевыми операциями


Рост 2D-фигуры, сгенерированной при помощи моего веб-приложения SuperformulaSVG

Эксперимент 06 интерактивность

Проводя эти эксперименты, я захотел получить более прямой контроль над движениями блуждающих частиц, чтобы можно было увеличивать рост в определённых областях. В результате я исследовал некоторые интересные возможности, например:

1. Эффект гравитационного колодца, притягивающий блуждающие частицы к позиции мыши при нажатии и удерживании кнопки.
2. Эффект хвоста мыши, непрерывно испускающий блуждающие частицы вокруг курсора мыши, которые имеют отклонение к центру.
3. Версия классической игры Asteroids, в которой игроки могут нажимать WASD для перемещения и Space для стрельбы.
4. Радиальная версия классической игры Bust-a-Move, в которой игроки могут двигаться клавишами A и D, прицеливаться мышью и стрелять её левой кнопкой.

Мне было бы любопытно посмотреть, какие взаимодействия смогли придумать вы!

• Посмотреть исходный код эксперимента
• Поиграться с экспериментом в браузере

Наверху: нажмите и удерживайте кнопку мыши, чтобы создать чёрную дыру, притягивающую к себе все блуждающие частицы; внизу: режим хвоста мыши блуждающие частицы постоянно создаются вокруг текущей позиции мыши и движутся к центру



Наверху: режим asteroids двигайте треугольный корабль клавишами, удерживайте пробел для стрельбы; внизу: режим радиальной Bust a Move нажимайте A и D для вращения, удерживайте кнопку мыши для стрельбы огненными блуждающими частицами в сторону мыши.

Эксперимент 07 поля обтекания

Последнее, что я смог придумать это эксперимент, вдохновлённый Coding Challenge #24: Perlin Noise Flow Field Дэниела Шифмана, в котором для управления движением частиц на экране он использует уравнение. В частности, он использовал популярную функцию noise() Перлина, однако можно взять и множество других уравнений.

В моей реализации достаточно было задать функцию, на входе получающую ссылку на частицу и возвращающую скорость по X и Y (dx и dy), которая затем прибавляется к позиции частицы в базовой функции движения блуждающей частицы (iterate в DLA.js). Мы передаём эту функцию в модуль DLA, присвоив её переменной DLA.customMovementFunction.

Здесь можно исследовать очень многое, но должен признаться, что не очень знаком с различными уравнениями полей обтекания. Если вы знаете интересные уравнения, то поделитесь со мной!

• Посмотреть исходный код эксперимента
• Поиграться с экспериментом в браузере

30 000 блуждающих частиц, направляемых функцией 2D-шума Перлина


30 000 частиц, направляемых уравнением sin(x) + sin(y)

Эффекты и возможности

Во время реализации этих экспериментов я наткнулся на пару интересных визуальных эффектов, которые решил превратить в глобально доступные возможности.

Эффект рендеринга линий

В этом эффекте мы рисуем только линии между каждыми частицами, а не сами частицы. Это создаёт очень органически выглядящие ветвящиеся структуры, которые немного напоминают вены!

Этот эффект можно включить в любом из описанных выше экспериментов, нажав клавишу L.

Экспорт в SVG

Одна из наиболее полезных возможностей функция экспорта в любой момент времени рисунков SVG нажатием клавиши e. Эти файлы отлично подходят для производства цифрового контента и могут быть полезными для плоттеров, лазерных резаков, станков с ЧПУ и многих других устройств.

Цвета

Если вы знаете, как обращаться с цветовым кругом (а я, к сожалению, не знаю), то сможете настраивать цвета каждого элемента симуляции, создавая потрясающие эффекты. Зайдите в раздел COLORS файла Defaults.js, чтобы посмотреть, что можно изменять!

Дальнейшее развитие

На самом деле эта статья является просто введением в ограниченную диффузией агрегацию, и в данном разделе представлено множество других способов, которыми можно развить идею.

1. Повысить количество частиц до 1-10 миллионов и выше, чтобы понаблюдать за возникновением интересных макроструктур (для вдохновения см. серию Aggregation Энди Ломаса). Возможно, вам удастся пойти ещё дальше и достичь в своих исследованиях нового уровня!
2. Чтобы достичь высокого количества частиц, нужно будет использовать более производительный язык или фреймворк: Processing, openFrameworks, Cinder, vanilla C++, Go или Python. Стоит также попробовать профессиональные VFX-инструменты и игровые движки типа Houdini, Unity и Unreal!
3. Реализовать более эффективный алгоритм, например, dlaf Майкла Фоглмена.
4. Поэкспериментировать с Vision of Chaos сайта Softology.
5. Развернуть симуляцию в третье измерение при помощи OpenGL
6. Реализовать вероятностный коэффициент липкости, чтобы варьировать плотность ветвящихся структур. Эта тема хорошо рассмотрена в статье про DLA Пола Бурка.

Ресурсы

Если вы хотите глубже исследовать эту тему, то вот несколько статей и репозиториев кода, которые я нашёл в процессе выполнения исследований для этой статьи:

Статьи

• Diffusion-Limited Aggregation, a Kinetic Critical Phenomenon (1981 год) Томаса Уиттена и Леонарда Сэндера. Статья, с которой всё началось!
  
  Примечание: зайдите в местную общественную или университетскую библиотеку и спросите библиотекаря, может ли он дать бесплатный доступ!
• Diffusion-limited aggregation: A kinetic critical phenomenon? (2000 год) Леонарда Сэндера. Дополнение к оригинальной статье.
• DLA Diffusion Limited Aggregation Пола Бурка
• Diffusion-limited aggregation в Википедии
• Diffusion-Limited Aggregation с сайта Softology

Код

• Coding Challenge #34: Diffusion-Limited Aggregation Дэна Шифмана (репозиторий на Github)
• Coding Challenge #127: Brownian Tree Snowflake Дэна Шифмана (репозиторий на Github)
• simutils-0001: Diffusion limited aggregation Карстен Шмидт (toxiclibs)
• Diffusion Limited Aggregation (PDF) Андре Офринга
• Simulate: Diffusion-Limited Aggregation из примеров в книге FORM+CODE
• Dendron эскиз на Processing Голана Левина

Далеко не все небесные тела так опасны, как о том говорят плоды массовой культуры. Конечно, есть астероиды колоссальных размеров, которые способны стереть жизнь с лица Земли, но они так же далеко, как человечество до полного взаимопонимания друг друга. Иногда новостную ленту, наполненную политикой, склоками и междоусобицами, прерывает сообщение о падении на Землю какого-то объекта. Ярким тому примером является метеорит Челябинск, упавший в 2013 году на территории одноименной области. Но далеко не все падающие на поверхность Земли космические объекты так популярны и, самое главное, так заметны. Подавляющее большинство это очень маленькие и безобидные метеороиды, появление которых в нашей атмосфере называют падающими звездами, а точнее метеорами. На протяжении последних 20 лет ученые из НЦНИ (Национальный центр научных исследований, Франция) изучали микрометеориты, совершившие аварийную посадку на Земле. Почему исследования проводилось в Антарктиде, каких размеров были найденные объекты, и сколько микрометеоритов насчитали исследователи? От этом мы узнаем из доклада ученых. Поехали.

Основа исследования

Каждый год на нашу планету падает весьма немалое число различных объектов, которые классифицируют в зависимости от размеров, массы, происхождения и т.д. Однако в этом вопросе существует много споров. К примеру, по мнению одних ученых метеоритами стоит называть тела размером свыше 2 мм, а микрометеоритами от 10 мкм до 2 мм. При этом по стандартам IAU (International Astronomical Union) к метеоритам относятся тела от 30 мкм до 1 м, а микрометеориты это объекты с субмиллиметрыми размерами.


Метеорит Гоба

Что касается массы, то тут все чуть проще. Тяжелый метеорит, легкий микрометеорит. Маса большинства микрометеоритов колеблитсья от 10⁹ до 10⁴ грамм, тогда как масса самого крупного метеорита Гоба составляет 66 тонн. Несмотря на это, именно микрометеориты составляют большую часть внеземного материала, попадающего на Землю.

Проблема каких-либо измерений, связанных с микрометеоритами, заключается, как бы иронично это не звучало, с их малыми размерами. Субмиллиметровые частицы крайне сложно отслеживать в момент вхождения в атмосферу, а искать на поверхности еще сложнее. Именно по этой причине полевые наблюдения проводились на территории антарктической станции Конкордия, расположенной на Куполе С (Антарктида; 750600 ю. ш. и 1231958 в. д.). Условия тут далеки от курортных, ибо температура может опускаться до -80 C, а ночь длиться 4 месяца подряд.


Изображение 1

Самыми важными аспектами такой локации для данного исследования являются регулярность осадков и невероятная чистота снега, которые в совокупности позволяют контролировать условия сбора образцов и параметры воздействия, т.е. природные факторы, влияющие на образцы.

За время исследования было найдено 1280 нерасплавленных микрометеоритов (uMM от unmelted micrometeorites) и 808 космических сфер (CS от cosmic spherules) диаметром от 30 до 350 мкм.


Изображение 2

Стоит отметить, что распределение космической пыли по размерам в диапазоне диаметров 10-1000 мкм до входа в атмосферу осуществлялось посредством инфракрасных наблюдений Зодиакального облака*, детекторов пыли в космос и радиолокационных наблюдений.

Зодиакального облака* состоит из космической пыли, которая пронизывает пространство между планетами внутри планетных систем, таких как Солнечная система.

При входе в атмосферу часть потока испаряется, а другая часть сохраняется в виде расплавленных и нерасплавленных частиц. Сложные физико-химические процессы, происходящие при входе в атмосферу, были описаны с помощью модели CABMOD-ZoDy (Sources of cosmic dust in the Earth's atmosphere и Cosmic dust fluxes in the atmospheres of Earth, Mars, and Venus), которая была усовершенствована для учета измеренного распределения массы.

Результаты исследования

Изображение 3: сверху гистограммы распределений размеров uMM (синий) и CS (красный); снизу кумулятивное количество и массовые распределения uMM (синий и серый) и CS (красный и оранжевый).

На графиках выше представлено распределение по размерам uMM и CS из полного набора данных. uMM и CS демонстрируют максимальный поток по количеству частиц при D_eq = 50 мкм (эквивалентный диаметр D_eq = (a b b)^1\3).


Изображение 4: сверху распределение по размерам для uMM (слева) и CS (справа), представленное как поток массы с использованием ячеек в 30 мкм для диаметра; снизу распределения массы для uMM (слева) и CS (справа), выведенные из полного набора данных и построенные с логарифмическими ячейками по массе.

Сумма масс частиц относительно параметра воздействия в выбранных расплавах составляет 2.7 мкг/м² в год для uMM и 5.2 мкг/м² в год для CS. Эти значения, скорректированные по Q (эффективность сбора микрометеоритов), обеспечивают абсолютный поток массы в диапазоне диаметров от 30 до 240 мкм.

Если же ограничить анализ образцов исключительно расплавами снега из этого региона, то общий поток массы частиц размером от 30 до 240 мкм составляет 7.7 мкг/м² в год. Принимая во внимание нижний предел диаметра в 12 мкм и верхний предел в 700 мкм, предполагаемые глобальные значения равны: 3.0 1.0 мкг/м² в год для uMM и 5.7 1.5 мкг/м² в год для CS. Экстраполируя эти данные на всю поверхность Земли, поток uMM составляет 1600 500 тонн в год.

Что касается процентного соотношения по габаритам, то примерно 75% uMM и CS, найденных вокруг станции Конкордия, были от 30 до 100 мкм. Однако такого размера микрометеориты составляют лишь 30% от общего потока массы. uMM и CS диаметром от 100 до 200 мкм составляют от 15% до 20% от общего числа найденных частиц, при этом они представляют около половины общего потока. А частицы с диаметром > 200 мкм попадались крайне редко, но их вклад в общий поток весьма внушителен и составляет около 20%.


Изображение 5: слева изменение отношения между измеренным и номинальным входным потоком для различных диапазонов процентилей и вероятности восстановления в зависимости от параметра воздействия; справа P30, P20 и P10 это вероятности (в зависимости от параметра воздействия) того, что номинальный входной поток оценивается с погрешностью менее 30%, 20% или 10% соответственно.

Распределение массы uMM и CS достигает своего максимума при D_eq = 100 мкм и D_eq = 120 мкм соответственно. Эти габариты соответствуют массе 0.8 мкг для uMM и 2.7 мкг для CS. Для масс более 10 мкм uMM частицы вносят в общий поток вклад в 10 раз больший, чем CS.


Изображение 6: распределение CS и uMM из разных коллекций образцов, собранных в данном регионе в ходе различных исследований.

Из графика показано распределение внеземных частиц на околоземной орбите, полученное в результате столкновений этих частиц с панелями спутника LDEF (от Long Duration Exposure Facility).


Long Duration Exposure Facility

Измерения размеров кратеров, вызванных высокоскоростными столкновениями субмиллиметровых частиц с панелями, были использованы для определения распределения размеров внеземных частиц до входа в атмосферу. Важно отметить, что наземные распределения могут существенно отличаться от доатмосферного распределения ввиду потери массы более крупными частицами в момент их вхождения в атмосферу.

Сравнение результатов данного исследования с данными предыдущих трудов показало незначительные расхождения, которые могли быть вызваны несколькими факторами: разная область сбора образцов, разная скорость накопления снега, вариативность потока частиц и т.д. Однако, несмотря на расхождения, данный труд характеризует глобальный поток частиц примерно на том же уровне, что и исследования 2004 года, когда образцы собирались в трех местах вокруг гор Ямато (Антарктида).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В ходе данного исследования были собраны образцы микрометеоритов в районе станции Конкордия (Антарктида). Эта локация была выбрана не просто так, а по причине высокой степени чистоты снежного покрова, что позволяет лучше контролировать сбор образцов. Также важную роль сыграла регулярность выпадения осадков, что позволяет более точно оценивать параметр воздействия окружающей среды на собираемые образцы. Всего из снега было собрано 1280 uMM (нерасплавленные микрометеориты) и 808 CS (сферические объекты) частиц.

Анализ четырех расплавов (забор снега для выявления частиц) позволил установить общий поток массы, переносимый частицами в диапазоне диаметров от 30 до 240 мкм: 2.7 мкг/м² в год для uMM и 5.2 мкг/м² в год для CS. Экстраполяция этих данных на глобальный поток частиц, охватывающий диапазон диаметров 12700 мкм, показывает, что на Землю падает примерно 1600 тонн uMM и 3600 тонн CS частиц в год. Соответствующий поток углерода, переносимый этими частицами, составляет от 20 до 100 тонн в год.

Около 25% потока, достигающего поверхности Земли в неизмененном виде, переносится частицами с высокой концентрацией углерода, что указывает на кометы, как их источник. Анализ данных с помощью расширенной модели CABMOD-ZoDy показал, что большая часть приходящего на Землю потока внеземных частиц происходит от комет семейства Юпитера. Именуются они так, поскольку их текущие орбиты в первую очередь определяются гравитационным влиянием Юпитера. Также моделирование показало, что общий поток частиц до вхождения в атмосферу составляет около 15000 тонн в год.

Вышеописанные результаты лишний раз подтверждают, что именно микрочастицы являются основным источником веществ внеземного происхождения на Земле. Другими словами, хоть крупные метеориты и выглядят внушительно, и приземляются эффектно, их годовой поток составляет всего лишь 10 тонн.

Какого бы размера ни были упавшие на нашу планету объекты, они оказывают определенное влияние на ее развитие, учитывая переносимые ими вещества. Подобного рода исследования позволяют лучше оценить степень этого влияния.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Что общего между велокостюмом и кожей акулы, а между лепестком розы и целлофановым пакетом? На первый взгляд, общего вроде и нет, однако все эти разнородные объекты можно объединить с точки зрения свойств их поверхностей. Многие, созданные человеком предметы, тем или иным образом повторяют свойства поверхностей, имеющихся в природе. Однако процесс изготовления такого предмета по большей степени ограничен свойствами материала, лежащего в его основе. Структурно металлы и полимеры во многом отличаются от биоматериалов, посему крайне сложно имитировать их свойства. Тем не менее ученые из университета штата Айова (США) решили использовать микроструктуру лепестка розы в качестве вдохновения для преобразования металла, сильно меняющего его свойства. Как именно был изменен металл, что для этого было сделано и как лепестки благородного цветка помогли в этом? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

В природе ничего не происходит просто так. Этот же принцип применим и к различного рода поверхностям, которые мы можем встретить в природе. Представители флоры и фауны на протяжении сотен тысяч лет претерпевали всевозможные изменения, необходимые для адаптации к условиям обитания.


Phyllocrania paradoxa, Nautilus pompilius, Cataglyphis bombycina.

Благодаря эволюции кто-то приобрел способность становиться фактически невидимым для неприятелей (мимикрия у богомола Phyllocrania paradoxa, похожего на засохший лист), кто-то обзавелся прочной броней (раковина у моллюска Nautilus pompilius), а кто-то научился выживать даже в самых неблагоприятных условиях (высокая отражательная способность тела муравьев Cataglyphis bombycina, живущих в пустыне Сахара) и т.д.

Каждый из вышеперечисленных примеров адаптации является следствием структурных особенностей и свойств поверхности. Логично, что ученые были бы рады применить в нашем мире такие уникальные характеристики, но это крайне сложно. Процесс воссоздания свойств биоматериалов называют биомимикрией, и он зачастую связан с обработкой какого-либо материала химическим или физическим образом, что позволяет в какой-то степени изменить его структуру. Например, для создания ультра- или супергидрофобных поверхностей на твердых материалах применяется травление, требующее агрессивных реагентов и дорогого оборудования, не говоря уже о подготовленных и опытных специалистах.
В последние годы большой популярностью начал пользоваться процесс переохлаждения металлических частиц. Суспендированные в растворителе полидисперсные мягкие частицы (ядро-оболочка*) переохлажденного жидкого металла (ULMCS) позволяют достичь плотной упаковки и самосортировки частиц в многомасштабные текстуры поверхности, такие как у лепестков розы (1а-1b).

Частица ядро-оболочка* частица, ядро и оболочка которой отличаются по составу, морфологии и функциональному назначению.

Изображение 1

После осаждения и испарения растворителя мягкие частицы имеют тенденцию образовывать структуры с беспорядочной плотной упаковкой (RCP) и застревать при коэффициенте упаковки = 0.64. Коэффициент упаковки определяется соотношением = NV₀ / V, где N количество частиц; V₀ объем частицы; V общий объем.

Более того, учитывая существование многомасштабных структур и каналов на поверхности розы (1а), эти частицы будут подвергаться процессу самофильтрации, которому способствует самосборка капилляров. После высыхания и достижения маятникового состояния частицы, в конечном итоге, будут самофиксироваться и застревать в щелях текстур поверхности (1b).

Застревание происходит, когда размеры межчастичной полости, концентрация суспензии и размеры частиц удовлетворяют следующее соотношение:



где R радиус капилляра; r радиус частицы; n количество частиц.

Данное уравнение позволяет прогнозировать размер (r) или количество (n) частиц, необходимых для застревания, для установленного размера углубления (R).

Застревание также гарантирует, что осажденные частицы ULMCS механически стабилизируются и, следовательно, могут быть спечены* в конформные сети желаемого поверхностного шаблона (1c-1d).

Спекание* процесс создания пористых и твердых материалов из мелких порошкообразных или пылевидных частиц за счет повышения температуры и/или давления.

Применение химического спекания без нагрева, а также соединение и отверждение застрявших частиц ULMCS приводит к формированию затвердевшей структуры, которую можно снять с лепестка розы (или аналогичного мягкого материала-основы), не повреждая ее. Этот процесс также совместим с синтетическими, термочувствительными и мягкими мотивами*, такими как PDMS (полидиметилсилоксан / (C₂H₆OSi)_n) (1e).

Мотив* короткая последовательность нуклеотидов или аминокислот, которая слабо меняется в процессе эволюции.

Когда инверсные биомиметические структуры наносятся на эластомерные материалы, на которых частицы ULCMS упакованы и химически спечены, реализуется точная копия естественного рисунка (1f-1h).

Таким образом, биомиметические твердые металлические конструкции могут быть изготовлены без нагрева за счет использования автономных процессов, таких как уплотнение капилляров, нарушение кинетики (переохлаждение) и самосборки/ самосортировки частиц.

Результаты исследования

Полидисперсные частицы металла ULMCS (51% In + 32.5% Bi + 16.5% Sn) были синтезированы с помощью метода SLICE (разделение жидкостей на сложные частицы от shearing liquids into complex particles).

Процесс SLICE может производить частицы < 10 нм, но для улучшения самофильтрации и простоты определения характеристик в данном исследовании было решено использовать большие размеры (мкм) и более высокую полидисперсность. Частицы, использованные в этом исследовании, имели диаметр 2.711.58 мкм, следовательно, прогнозируемый коэффициент упаковки составлял около = 0.70.

Эти мягкие деформируемые ULMCS, как и ожидалось, образуют более плотные структуры, чем случайная плотная упаковка, наблюдаемая с твердыми сферами ( = 0.64). Вероятно уплотнение связано с изменением формы под действием капиллярного давления и автономным упорядочением размеров, которое увеличивает уплотнение. Однако эти процессы могут быть нарушены внешними напряжениями во время осаждения частиц.

Чтобы исследовать влияние процесса осаждения на плотность упаковки, ученые провели несколько циклов с различной степенью приложенного напряжения сдвига (F_s). Частицы наносились на биологические шаблоны (лепестки роз) и удалялись с помощью медной ленты, создавая биомиметическую металлическую структуру, хотя и с обратным рельефом.


Изображение 2

На изображениях 2а, 2d и 2g схематически показаны различные методы осаждения в диапазоне от низкого значения F (нанесение кистью) до высокого F (центрифугирование) и без F (распыление). Метод распыления обеспечивает минимальное количество F, поскольку частицы осаждаются перпендикулярно поверхности лепестка.

Метод прямого осаждения щеткой (2а) вызывает низкие значения F на суспензии частиц во время осаждения, что приводит к образованию толстых (> 10 мкм), многослойных (> 7 слоев) рисунков (2b-2c). Данный метод самый простой в реализации, но не самый подходящий, так как требует непосредственного участия человека, чего ученые хотели бы избежать.

Осаждение центрифугированием при 1000 об/мин (2d) позволяет осуществлять более контролируемый и воспроизводимый процесс, поскольку скорость осаждения, следовательно, и значение F_s, могут быть фиксированными. Однако этот метод срезает самый внешний слой осажденных частиц, в результате чего получаются несколько более тонкие пленки (< 10 мкм, ~ 4-5 слоев; 2e-2f) по сравнению с пленками, полученными путем нанесения кистью.

Удивительно, но центрифугирование обеспечивает немного лучшую самофильтрацию, как показывает автономная сортировка по размеру на верхнем слое поднятой конструкции (отмечено красным на 2c и 2f).

А вот напыление (2g) дает гораздо более тонкие пленки (~ 3 слоя) со значительными дефектами / отслоениями (2h-2i). Это может быть связано с проблемами при откачке довольно плотных металлических частиц из системы ручного распыления, которая будет иметь тенденцию к осаждению все меньшего и меньшего количества частиц. Осаждение более крупных частиц в распыляемом растворе также может способствовать низкой концентрации и селективности по размеру, следовательно, образованию более тонких пленок.

В случае гранулированного материала самофильтрация может привести к лучшей упаковке в поверхностные элементы, что приведет к более конформной упаковке в различных масштабах размера. Самофильтрация проявляется в распределении частиц по размерам в самом верхнем слое захваченных частиц.

Сравнение гранулометрического состав предварительно приготовленных частиц с теми, которые осаждаются наиболее глубоко в щелях лепестков роз (т.е. представляют собой самый верхний слой металлической структуры), наблюдается значительный сдвиг. В полидисперсной исходной суспензии наблюдается большой положительный коэффициент асимметрии, тогда как в осажденных частицах более крупные частицы отфильтрованы (2j-2m).

Подгонка гауссиана к распределению размеров частиц самого верхнего слоя показала, что при использовании кисти частицы будут самые крупные (~ 5 мкм), далее следует центрифугирование (~ 4 мкм) и напыление (~ 3 мкм).

Более глубокий анализ трех методов осаждения частиц показал, что именно центрифугирование является наиболее подходящим, несмотря на небольшую относительную асимметрию. В случае же других методов наблюдался ряд проблем: низкая капиллярная упаковка в случае напыления; хорошая упаковка, но плохая масштабируемость в случае использования кисти.

Что касается выбора метода осаждения частиц на лепесток розы (т.е. метод репликации ее микроструктур частицами металла) также необходимо было оценить степень совпадения структур оригинала и пресс-формы. Сравнение показало, что все элементы, полученные от красной розы, имели средний размер в следующем порядке: кисть > центрифугирование > напыление. Однако во всех случаях размеры структурных элементов были достаточно схожи друг с другом (20 мкм), т.е. в данном аспекте любой из методов может быть использован.


Изображение 3

Далее ученые приступили к полноценной оценке характеристик BIOMAP (BIOmimetic MetAl Patterning), т.е. биомимикрической металлической системы.

Во время практических опытов использовалось два вида близкородственных роз:

• красная роза сорта мистер Линкольн (роза 1) с диаметром частиц поверхности a₁ = 21.68 3.32 мкм (3а);
• розовая роза сорта Peace (роза 2) с a₂ = 26.63 4.00 мкм (3b);

Нанесение центрифугированием одной и той же исходной суспензии на аналогично приготовленные лепестки было выполнено с целью уловить различия в этих шаблонах.

В результате нанесения центрифугированием частиц на розу 1 были получены узоры с диаметром отельного элемента a₁= 19.85 3.82 мкм (3b-3c), что составляет ~ 2 мкм отклонения от исходного узора. Разница в размере 10% может быть вызвана деформацией поверхностных элементов лепестков под действием капиллярного давления и/или веса осажденных частиц.

Для розы 2 средний размер элементов узора нанесенных частиц составил a₂= 23.23 3.98 мкм (3e-3f), т.е. отклонение от оригинала составило порядка 3 мкм. Эти различия также фиксируются как сдвиги в средних гауссовых значениях полученных гистограмм (3g-3h).

Форма распределенных частиц лепестков и поверхностям BIOMAP очень схожи, что указывает на хорошую репликацию. Однако асимметрия и эксцесс подтверждают, что вышеописанные тонкие изменения (отклонения) являются систематическими ошибками (3i).

Естественно стоит отметить, что все полученные узоры BIOMAP (отмечены "-") являются обратными по отношению к оригиналу (лепестки роз, отмечены "+"), хоть и с высокой степенью репликации. Чтобы получить такой же узор, как и на лепестке, сначала необходимо провести репликацию посредством эластомера PDMS, а потом уже с этого оттиска сделать копию посредством BIOMAP. Грубо говоря, чтобы получить идентичные (не зеркальный) оттиски лепестка розы, нужно выполнить процедуру дважды (кто знаком с кулинарией, знает как вынуть из формы пирог, используя два блюда).


Изображение 4

Изображения выше демонстрируют степень точности BIOMAP в создании синтетического узора розы. Сначала изготавливается первичный/черновой (-) шаблон путем точного оттиска PDMS с поверхности лепестка розы (4а). Далее форма PDMS заполняется частицами ULMCS, которые затем спекаются с помощью CUPACT, и образцы снимаются (4b-4c). В результате получается конечный образец (+) ULMCS, хотя и с большими промежутками между поверхностными элементами по сравнению с цветком розы (3a), из-за сохранения сферичности частиц после CUPACT.

Несмотря на ограничения в создании полностью непрерывной гладкой поверхности, данный метод демонстрирует ближайший аналог поверхности розы (4b), созданный с помощью принципов физической химии и химической кинетики. Помимо новой текстуры поверхности, очевидно также и то, что металлическая (-) рельефная копия поверхности лепестка может быть использована в качестве формы для создания эластомерного аналога лепестка розы, поскольку капиллярные силы будут препятствовать проникновению вязкого несшитого эластомера через сеть пор.

Для проверки этой теории металлические (-) элементы были заполнены PDMS (4d), после чего был получен рельефный узор (+), аналогичный лепестку розы (4e-4f).

Когда для получения копии использовался металл, наблюдалось отклонения размеров полученных элементов от оригинала около 10%. Но в случае, когда металл был использован в качестве формы для создания элементов PDMS значительных изменений в размерах не наблюдалось.

Несмотря на все отличия копий от оригинала, показатели смачивания* оригинальной поверхности и реплики достаточно схожи (сравнение гидрофобности на 4g).

Смачивание* взаимодействие жидкости и поверхности твердого тела или другой жидкости.

Лепесток розы был ультрагидрофобным со средним углом смачивания 133.1 5.0, тогда как биомиметическая копия, (+) образец ULMCS (4b), давала средний угол смачивания* 138.7 14.7. PDMS реплика показала меньший угол контакта.

Угол смачивания (угол контакта)* угол между касательной, проведенной к поверхности жидкости и твердой поверхностью. Данный параметр определяет межмолекулярное взаимодействие частиц поверхности твердого тела с жидкостью.

Нетекстурированные спеченные CUPACT частицы (CAP на 4g) и PDMS частицы использовались во время анализа в качестве контрольной группы (пунктирная линия на 4g).

Капли на нетекстурированных поверхностях спеченных частиц, медленно диффундирующие в пористую поверхность, проявляют временную гидрофобность. Предположительно, это небольшая гидрофобность, наблюдаемая на слое спеченных частиц, объясняется присутствием существенного поверхностного лиганда с концевыми метильными группами, используемого для стабилизации ULCMS.

Для дальнейшего сравнения смачивания между биомиметическим и природным образцами капли, расположенные на узоре BIOMAP, были наклонены (4b), что позволяет сымитировать эффект лепестка. Как и ожидалось, капли прилипают к поверхности, хотя и с большим гистерезисом угла смачивания при увеличении угла наклона (4h и видео ниже).


Демонстрация свойств смачивания лепестка розы и металлической реплики.

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В данном труде ученые смогли изготовить биомиметический металлический узор на основе мягкого субстрата (т.е. лепестка розы). Изготовленные элементы полностью имитируют биоаналог как по структуре, так и по свойствам смачивания, хоть и с небольшими отклонениями, артефактами метода обработки BIOMAP и асимметрией в свойствах материала.

Если упростить все исследование до одного предложения, то ученые смогли сделать оттиск лепестка розы из частиц металла. Полученная реплика обладает свойствами, как и оригинал. Особое внимание стоит уделить гидрофобности разработанного материала, которая ранее достигалась куда более сложными и затратными методами.

Созданная структура обладает прочностью и долговечностью металла и гидрофобностью нежного лепестка розы. Подобная гибридизация свойств позволяет создавать различные варианты материалов, расширяя спектр их применения. По мнению ученых, их разработка может быть использована в самых разных отраслях, от медицины (репликация нанометрических структур для дальнейшей замены поврежденных частей) до авиационной промышленности (обработка крыльев самолетов для снижения степени обледенения во время полета).

Как бы то ни было, природа в очередной раз показала, что она является практически неиссякаемым источником вдохновения не только для художников, создающих живописные пейзажи, но и для ученых, изобретающих невероятные устройства и системы.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

В нашей Вселенной отражение левой руки кажется правой рукой. Большая часть законов природы симметрична относительно зеркальных отражений и подчиняется тем же самым законам за исключением слабого взаимодействия. По какой-то причине слабо взаимодействуют только левосторонние частицы, но не правосторонние.

Помашите себе рукой в зеркале, и ваше отражение помашет вам в ответ. Однако сделает оно это противоположной рукой по сравнению с той, какую используете вы. Для большинства из нас это не проблема мы можем помахать и другой рукой, а отражение в свою очередь помашет противоположной. Но для Вселенной некоторые взаимодействия работают только для левосторонних частиц в частности, для частиц, испытывающих слабое взаимодействие. Их правосторонних версий, как мы ни искали, найти не удалось.

Но почему? Откуда у Вселенной такое качество, и почему оно проявляется только в случае слабого взаимодействия? Ведь сильное, электромагнитное и гравитационное взаимодействия идеально симметричны относительно левосторонних и правосторонних конфигураций. Этот факт в науке был проверен на множестве опытов, а для ещё более глубокой его проверки уже готовятся новые эксперименты. И хотя он хорошо описывается физикой Стандартной модели, никто не знает, почему Вселенная так устроена. Вот, что нам пока известно.


Преодоление квантового барьера называется туннельным эффектом. Это одно из странных свойств квантовой механики. У самих квантовых частиц тоже есть присущие им свойства масса, заряд, спин не меняющиеся после измерений.

Представьте себя на месте частицы. Вы движетесь в пространстве, у вас есть определённые квантовые свойства, вроде массы и заряда. А ещё у вас есть не только момент импульса относительно всех окружающих вас частиц (и античастиц), но и ваш внутренний момент импульса по отношению к направлению вашего движения спин. Ваши свойства, как частицы, полностью определяют, что вы за частица.

При помощи рук вы можете представить себе две версии себя левостороннюю и правостороннюю. Сначала направьте оба ваших больших пальца в одну сторону любую, но одну. Остальные пальцы сожмите. Если теперь посмотреть на большие пальцы так, чтобы они были направлены к вам, вы увидите, как различаются спины все левосторонние частицы с этой точки зрения крутятся по часовой стрелке [спин направлен против движения], а правосторонние против часовой [спин направлен по движению].


Левосторонняя поляризация присуща 50% фотонов, а правосторонняя другим 50%. При создании пары частиц (или пары частица-античастица) их спины (их внутренние моменты импульса) всегда суммируются с сохранением общего момента импульса системы. Невозможно ничего сделать для изменения поляризации безмассовой частицы типа фотона.

Большую часть времени физикам ваш спин не важен все законы и правила остаются одинаковыми. Волчок подчиняется одним и тем же законам физики, вне зависимости от того, крутится он по часовой или против часовой стрелки. Планета подчиняется одним и тем же правилам, крутится она вокруг оси по или против направления движения по орбите. Вращающийся электрон, переходящий на нижний энергетический уровень в атоме, испустит фотон вне зависимости от направления его спина. Почти в любых обстоятельствах законы физики, как говорят, лево-право симметричны.

Зеркальная симметрия один из трёх фундаментальных классов симметрии, которые можно применять к частицам и законам физики. В первой половине XX века мы считали, что существуют всегда сохраняющиеся симметрии, тремя из которых были:

• Симметрия пространственной чётности (P), по которой законы физики одинаковы и для частиц, и для их зеркальных отражений.
• Симметрия относительно заряда , по которой законы физики одинаковы для частиц и античастиц.
• Симметрия по отношению к обращению времени (T), по которой законы физики не меняются от того, идёт система по времени вперёд или назад.

По всем классическим законам физики, а также по общей теории относительности и даже квантовой электродинамике, эти симметрии всегда сохраняются.


Природа не симметрична для частиц/античастиц, для зеркальных отражений частиц, или для всех этих свойств сразу. До обнаружения нейтрино, нарушающих зеркальную симметрию, потенциальными нарушителями P-симметрии были только слабо взаимодействующие частицы.

Но чтобы убедиться, что Вселенная и правда симметрична для всех этих преобразований, придётся проверить их всеми возможными способами. Первый намёк на то, что с этой картиной что-то не так, появился в 1956 году, когда мы впервые экспериментально обнаружили нейтрино. Эту частицу ещё в 1930 ввёл Вольфганг Паули в виде крохотного, нейтрального кванта, способного уносить энергию при радиоактивном распаде. После такого объявления часто цитируемый Паули жаловался: Я совершил нечто ужасное. Я постулировал существование частицы, которую невозможно обнаружить.

Поскольку было предсказано, что у нейтрино при взаимодействии с обычной материей поперечное сечение оказывается ничтожно малым, Паули не видел реалистичных способов обнаружить их. Однако через несколько десятилетий учёные не просто смогли расщепить атом ядерные реакторы стали обыденностью. По предположению Паули, эти реакторы должны в больших количествах вырабатывать античастицы нейтрино антинейтрино. Рядом с ядерным реактором был построен детектор, и первое антинейтрино было обнаружено в 1956 году, через 26 лет.


Фредерик Райнес, слева, и Клайд Коуэн, справа, за пультом эксперимента Саванна-Ривер, где в 1956 году открыли электронное антинейтрино. Все антинейтрино правосторонние, а все нейтрино левосторонние, без исключений. Хотя Стандартная модель всё это точно описывает, фундаментальных причин для этого нет.

Однако относительно этих нейтрино заметили нечто интересное: все они без исключений были правосторонними, их спин был направлен по их движению. Позднее мы начали находить и нейтрино, и обнаружили, что все они были левосторонними, со спином, направленным против движения.

Может показаться, что такие измерения невозможно провести. Если нейтрино (и антинейтрино) так сложно засечь, поскольку они очень редко взаимодействуют с другими частицами, как мы вообще можем измерить их спины?

Дело в том, что мы узнаём их спин не в результате прямых измерений, а в результате изучения свойств частиц, появляющихся после взаимодействия. Так мы делаем со всеми частицами, которые не можем измерить напрямую, включая бозон Хиггса единственную из известных на сегодня фундаментальных частиц с нулевым спином.


Каналы распада бозона Хиггса наблюдаемые и предсказанные Стандартной моделью. Включены последние данные с экспериментов ATLAS и CMS. Совпадение невероятное, но и разочаровывающее. К 2030-м годам у БАК будет накоплено примерно в 50 раз больше данных, однако точность во многих каналах распада всё равно останется на уровне нескольких процентов. Новый коллайдер мог бы увеличить точность на много порядков, и, возможно, открыть существование новых частиц.

Как это делается?

Бозон Хиггса иногда распадается на два фотона, спин которых может равняться +1 или -1. Отсюда следует, что спин бозона Хиггса может быть равен 0 или 2, поскольку такой будет сумма или разница спинов фотонов. С другой стороны, иногда бозон Хиггса распадается на пару кварк/антикварк, у каждого из которых спин бывает + или -. Складывая их и вычитая, можно получить 0 или 1. Одно из этих измерений не дало бы нам спин бозона Хиггса, но вместе они оставляют только одно возможное значение, 0.

Сходные технологии использовались для измерения спина нейтрино и антинейтрино, и для большинства учёных неожиданностью стало то, что Вселенная и её зеркальное отражение не одинаковы. Если поставить перед левосторонним нейтрино зеркало, его отражение будет правосторонним как в случае с левой рукой, которая в зеркале кажется правой. Однако в нашей Вселенной нет правосторонних нейтрино, как нет и левосторонних антинейтрино. По какой-то причине Вселенной не всё равно.


Поймав нейтрино или антинейтрино, движущиеся в определённом направлении, вы увидите, что их внутренние моменты импульса дают вращение либо по часовой, либо против часовой стрелке в зависимости от того, нейтрино это или антинейтрино.

Как всё это осмыслить?

Теоретики Ли Чжэндао и Янг Чжэньнин придумали идею законов чётности, и показали, что, хотя чётность кажется идеальной симметрией, сохраняющейся в сильных и электромагнитных взаимодействиях, её не проверили как следует в слабых. Слабые взаимодействия происходят, когда при распаде одна частица превращается в другую мюон превращается в электрон, странный кварк в верхний, нейтрон в протон (когда один из его нижних кварков распадается, превращаясь в верхний).

Если бы чётность сохранялась, тогда слабые взаимодействия (все и каждое) шли бы одинаково у левосторонних и правосторонних частиц. Но при нарушении слабые взаимодействия шли бы только с левосторонними частицами. Если бы только можно было проверить это в эксперименте


Ву Цзяньсюн, слева замечательный и выдающийся физик-экспериментатор. Сделала множество важных открытий, подтвердивших (или опровергнувших) несколько важных теоретических предсказаний. Ей так и не присудили нобелевскую премию.

В 1956 году Ву Цзяньсюн взяла образец кобальта-60, радиоактивного изотопа кобальта, и охладила его почти до абсолютного нуля. Известно, что кобальт-60 в процессе бета-распада превращается в никель-60. Слабое взаимодействие превращает один из нейтронов в ядре в протон, в процессе чего испускаются электрон и антинейтрино. Приложив к кобальту магнитное поле, можно выровнять спины всех атомов.

Если бы чётность сохранялась, можно было бы наблюдать как у испускаемых электронов также известных, как бета-частицы были бы как параллельные, так и антипараллельные спины. Если бы чётность нарушалась, то все испускаемые электроны были бы антипараллельными. Грандиозный результат эксперимента Ву состоял не только в том, что все испускаемые электроны были антипараллельными, но и в том, что они были максимально антипараллельными, насколько это возможно теоретически. Через несколько месяцев Паули в письме к Виктору Вайскопфу писал: Не могу поверить, что Бог слабый левша.


Чётность, или зеркальная симметрия одна из трёх фундаментальных симметрий Вселенной, вместе с обращением времени и заряда. Если спин частиц направлен в одном направлении и распадаются они по определённой оси, то их зеркальное отражение должно развернуть спин в другую сторону при распаде по той же оси. Для слабых взаимодействий это оказалось не так это было первым признаком наличия у частиц внутренней направленности. Это и обнаружила Ву Цзяньсюн.

Однако в слабом взаимодействии участвуют только левосторонние частицы по крайней мере, судя по нашим измерениям. В связи с этим возникает интересный вопрос, измерений по которому мы пока не проводили: когда в слабом взаимодействии участвуют фотоны, играют ли в нём роль и левосторонние, и правосторонние фотоны, или же только левосторонние? К примеру, прелестный кварк (b) превращается в слабых взаимодействиях в странный (s), что обычно происходит без участия фотонов. Однако крохотная доля b-кварков, менее, чем 1 из тысячи, всё же превратятся в s-кварк с испусканием фотона. Явление редкое, но изучать его можно.

Согласно ожиданиям, такой фотон всегда должен быть левосторонним. Мы считаем, что чётность в Стандартной модели работает так (нарушаясь в слабых взаимодействиях). Но если фотон иногда может оказаться правосторонним, в нашем текущем понимании физики появится ещё одна трещина. Среди предсказаний результатов подобного распада есть следующие:

• неожиданная поляризация фотона,
• процентное соотношение разных случаев распада, отличное от ожидаемого,
• нарушение CP-инвариантности.

Лучше всего такие возможности может изучать коллаборация LHCb в ЦЕРН. Недавно там как раз установили самое жёсткое ограничение за всё время на возможность наличия правосторонних фотонов. Если график ниже в результате дальнейших экспериментов искривится так, что перестанет включать начало координат (0, 0), это будет значить, что мы открыли новую физику.


Действительная и мнимая части коэффициентов правосторонних (C7-прайм) и левосторонних (C7) коэффициентов Уилсона в физике частиц должны оставаться в районе точки (0, 0), чтобы Стандартная модель оставалась корректной. Измерения различных распадов с участием b-кварков и фотонов помогают наложить на эти условия строжайшие ограничения. В ближайшем будущем коллаборация LHCb грозится провести ещё более точные измерения.

Мы совершенно точно можем сказать, что Вселенная идеально симметрична относительно зеркальных отображений, замены частиц на античастицы, направления времени, в котором разворачиваются процессы для всех взаимодействий и сил, кроме одного. В слабых взаимодействиях, и только в них, эти симметрии не сохраняются. Все измерения, которые мы проводили, показывают, что Паули и сегодня оставался бы в недоумении. Спустя 60 лет после первого открытия нарушения симметрии, по всему выходит, что слабые взаимодействия связаны только с левосторонними частицами.

Поскольку у нейтрино есть масса, одним из самых удивительных экспериментов был бы такой, в котором мы могли бы очень близко подойти к скорости света. Тогда мы бы обогнали левосторонний нейтрино так, чтобы его спин с нашей точки зрения изменился бы на противоположный. Проявила бы частица внезапно свойства правостороннего антинейтрино? Или бы она стала правосторонней, но вела бы себя всё ещё как нейтрино? Какие бы характеристики у неё ни оказались, она бы могла раскрыть нам новую информацию о фундаментальной природе Вселенной. А до того дня лучшей нашей возможностью разобраться с тем, действительно ли Вселенная настолько левосторонняя, как нам кажется, будут непрямые измерения. Как раз такой эксперимент сейчас идёт в ЦЕРН, где ищут двойной безнейтринный бета-распад.

Чем меньшие масштабы мы изучаем, тем более фундаментальные знания о природе нам открываются. Если бы мы могли понять и описать самые мелкие из существующих объектов, мы могли бы построить на этой основе понимание крупных. Однако мы не знаем, существует ли предел минимизации пространства.

В нашей Вселенной существуют правила, нарушения которых мы ещё ни разу не наблюдали. Мы ожидаем, что некоторые из них никогда не нарушались. Ничто не может двигаться быстрее света. При взаимодействии двух квантов энергия всегда сохраняются. Нельзя создать или уничтожить импульс и угловой момент. И так далее. Но некоторые из этих правил, хотя мы этого и не видели, в какой-то момент прошлого должны были нарушиться.

Одно из них симметрия материи и антиматерии. Каждое взаимодействие, в котором рождаются или уничтожаются частицы материи, уничтожает или порождает равное количество их двойников из мира антиматерии античастицы. Учитывая, что наша Вселенная почти полностью состоит из материи, и почти не содержит антиматерии (нет никаких звёзд, галактик или стабильных космических структур, состоящих из антиматерии), эта симметрия, очевидно, была нарушена в прошлом. Однако как именно это произошло, остаётся тайной. Загадка асимметрии материи/антиматерии остаётся одним из величайших открытых вопросов физики.

Кроме того, мы обычно говорим частицы, подразумевая составные части материи, и античастицы, подразумевая составные части антиматерии, однако это не совсем верно. Частицы не всегда материя, а античастицы не всегда антиматерия. Вот, что говорит наука по поводу этой контринтуитивной ситуации.


От макроскопических до субатомных масштабов, размеры фундаментальных частиц играют небольшую роль в определении размеров композитных структур. Пока неизвестно, являются ли эти строительные кирпичики по-настоящему фундаментальными и точечными частицами, но мы понимаем, как устроена Вселенная от больших, космических масштабов до мелких, субатомных. В человеческом теле содержится порядка 10²⁸ атомов.

Представляя себе материалы, которые можно найти на Земле, вы, наверно, будете считать, что 100% их состоит из материи. Примерно так и есть практически вся наша планета состоит из материи. Она же состоит из протонов, нейтронов и электронов и всё это частицы материи. Протоны и нейтроны составные частицы, состоящие из верхних и нижних кварков, связывающихся при помощи глюонов, и формирующих ядра атомов. К этим ядрам привязаны электроны так, что общий электрический заряд атома равен нулю, а электроны связаны с ядрами электромагнитным взаимодействием, передающимся при помощи обмена фотонами.

Однако периодически одна из частиц в атомном ядре претерпевает радиоактивный распад. Типичный пример бета-распад. Один из нейтронов превращается в протон, испуская электрон и электронное антинейтрино. Изучив свойства различных частиц и античастиц, участвующих в этом распаде, можно многое узнать о Вселенной.


Схематичное изображение ядерного бета-распада в массивном атомном ядре. Бета-распад работает при помощи слабых взаимодействий, превращая нейтрон в протон, электрон и электронное антинейтрино. До открытия нейтрино казалось, что в бета-распадах не сохраняется энергия и импульс.

Нейтрон, с которого мы начали, имеет следующие свойства:

• Он электрически нейтрален, общий его заряд равен нулю.
• Он состоит из трёх кварков двух нижних (с электрическими зарядами по -1/3) и одного верхнего (с электрическим зарядом 2/3).
• В нём содержится около 939 МэВ энергии в виде массы покоя.

У частиц, на которые он распадается протона, электрона и электронного антинейтрино тоже есть свои уникальные свойства.

• Электрический заряд протона +1, он состоит из одного нижнего и двух верхних кварков, и в нём содержится около 938 МэВ энергии в массе покоя.
• Электрический заряд электрона равен -1, это фундаментально невидимая частица, и в ней хранится около 0,5 МэВ энергии в массе покоя.
• У электронного антинейтрино нет электрического заряда, это фундаментально невидимая частица, её масса покоя неизвестна (но больше нуля), и в ней хранится не более 0,0000001 МэВ энергии.

Все обязательные законы сохранения никуда не делись. Энергия сохраняется, а небольшой запас лишней энергии нейтрона превращается в кинетическую энергию получающихся частиц. Импульс сохраняется, и сумма импульсов получившихся частиц всегда равняется начальному моменту нейтрона. Однако нам хочется не только изучить, с чего мы начали, и чем закончили мы хотим знать, как это произошло.


Свободные нейтроны нестабильны. Период полураспада у них составляет 10,3 минуты, и распадаются они на протоны, электроны и электронные антинейтрино. Если поменять нейтрон на антинейтрон, то все частицы поменяются на соответствующие античастицы. Материю заменит антиматерия, а антиматерию материя.

Согласно квантовой теории, для распада необходима управляющая им частица. В квантовой теории слабых взаимодействий, описывающей данный процесс, этим занимается W^- бозон, играющий роль одного из нижних кварков нейтрона. Посмотрим, что происходит с фундаментальными частицами.

Один из нижних кварков в нейтроне испускает виртуальный W^- бозон, из-за чего превращается в верхний кварк. В данном взаимодействии количество кварков сохраняется.

Виртуальный W^- бозон может распасться на много различных частиц, однако этот процесс ограничивает закон сохранения энергии. Его конечные продукты распада не должны иметь больше энергии, чем разница в массе покоя между нейтроном и протоном.

Поэтому по большей части в распаде рождается электрон (чтобы унести отрицательный заряд) и электронное антинейтрино. В редких случаях можно увидеть радиационный распад, в результате которого получается дополнительный фотон. В принципе, можно заставить W^- бозон распадаться на комбинацию из кварков и антикварков (к примеру, из нижнего и антиверхнего), однако для этого требуется слишком много энергии больше, чем получается при распаде нейтрона до протона.


При нормальных условиях низких энергий свободный нейтрон распадётся на протон посредством слабого взаимодействия в этом случае на диаграмме время увеличивается вверх. При достаточно больших энергиях эта реакция может пойти в обратную сторону. Протон и позитрон или нейтрино могут провзаимодействовать, выдав нейтрон то есть, при взаимодействии протона с протоном может появиться дейтрон. Так работает первый, критически важный шаг синтеза в Солнце.

Теперь давайте перевернём всё зеркально, перейдя от материи к антиматерии. Вместо распада нейтрона представим распад антинейтрона. Свойства антинейтрона очень похожи на свойства нейтрона, упомянутые ранее, но есть и важные отличия:

• Он электрически нейтрален, его общий заряд равен нулю.
• Он состоит из трёх антикварков двух антинижних (с зарядами +1/3) и одного антиверхнего (с зарядом -2/3).
• Он содержит 939 МэВ энергии в виде массы покоя.

Переходя от материи к антиматерии, мы просто заменили все частицы на их двойники из антиматерии. Массы остались теми же, состав (с учётом приставки анти) остался тем же, а электрический заряд сменился на противоположный. И хотя нейтрон и антинейтрон электрически нейтральны, заряд у их компонентов поменялся.

И это, кстати, можно измерить! Хотя заряд нейтрален, у электрона есть т.н. магнитный момент, для которого нужны и спин, и электрический заряд. Мы смогли измерить его магнитный момент он равен -1,91 магнетонам Бора. Магнитный момент антинейтрона равен +1,91 магнетонам Бора. Вся его заряженная начинка должна быть противоположной у материи и антиматерии.


Благодаря экспериментам и новым теоретическим изысканиям мы стали лучше разбираться во внутренней структуре нуклонов, протонов и нейтронов, включая то, как распределяется море из кварков и глюонов. Исследования позволяют объяснить большую часть массы барионов, а также их нетривиальные магнитные моменты.

При распаде антинижний кварк испускает W⁺ бозон, двойника W^- бозона из антиматерии, что превращает антинижний кварк в антиверхний. Бозон W⁺, как и прежде, виртуальный его нельзя наблюдать, а для создания реального бозона не хватает массы/энергии. Однако продукты его распада видны позитрон и электронное нейтрино. (Да, радиационные эффекты тоже могут проявиться в редких случаях один или несколько фотонов добавляются к продуктам распада). Всё получается зеркальным отображением предыдущего варианта, каждая частица материи меняется на двойника из антиматерии, а частицы антиматерии (типа электронных антинейтрино) наоборот.

Что касается материалов, которые можно найти на Земле, то почти все они состоят из материи протонов, нейтронов и электронов. Малая часть этих нейтронов распадается, а значит, у нас также есть W^- бозоны, дополнительные протоны и электроны (и фотоны), а также немного электронных антинейтрино. Всё, что мы знаем, хорошо описывает Стандартная модель, и для описания всего хватает частиц и античастиц.


[кликабельно] Стандартная модель помогает нам определить, какие частицы существуют в реальности, и какие для каждой из них есть античастицы. И хотя Вселенная в основном состоит из материи, и имеет лишь следовые включения антиматерии, не каждую её частицу можно отнести только либо к материи, либо к антиматерии.

Мы могли бы заменить Землю анти-Землёй, антиматериальной версией себя. Тогда мы бы просто заменили каждую частицу на соответствующую ей античастицу. Вместо протонов и нейтронов (состоящих из кварков и глюонов) у нас были бы антипротоны и антинейтроны (состоящие из антикварков, но с теми же 8 глюонами). Вместо распада нейтронов посредством W^- бозона был бы распад антинейтрона посредством W⁺ бозона. Вместо получения электрона и электронного антинейтрино (и иногда фотона), мы бы получали позитрон и электронное нейтрино (и иногда фотон).

Нормальная материя Вселенной состоит из кварков и лептонов. Из кварков состоят протоны и нейтроны (и в целом барионы), а в лептоны входят электроны и их более тяжёлые родственники, а также три обычных нейтрино. С обратной стороны существуют античастицы, из которых состоит антиматерия антикварки и антилептоны. Хотя обычные распады идут разными путями с участием бозонов W^- и W⁺, существует небольшое количество антиматерии в виде позитронов и электронных антинейтрино. Это было бы так, даже если бы мы сумели каким-то образом избавиться от всей внешней Вселенной, включая Солнце, космические лучи и другие источники частиц и энергии.


Частицы и античастицы Стандартной модели, существование которых предсказывают законы физики. Кварки и лептоны это фермионы и материя. Антикварки и антилептоны это антифермионы и антиматерия. Однако бозоны это не материя и не антиматерия.

Но что насчёт остальных частиц и античастиц? Говоря о материи и антиматерии, мы говорим только о фермионах кварках и лептонах. Однако существуют ещё и бозоны:

• 1 фотон, посредник в электромагнитном излучении.
• 8 глюонов, посредники в сильном ядерном взаимодействии.
• 3 слабых бозона, W⁺, W^- и Z⁰, посредники в слабом взаимодействии и слабых распадах, а также бозон Хиггса, отличающийся от всех остальных.

Некоторые из частиц являются античастицами сами для себя фотон, Z⁰ и бозон Хиггса. W⁺ античастица для W^-, а три пары глюонов явно являются античастицами друг для друга (с четвёртой парой всё немного сложнее).

Если столкнуть частицу с её античастицей, они аннигилируют, и могут выдать всё, на что хватит энергии, с учётом всех квантовых законов сохранения энергии, импульса, углового момента, электрического заряда, барионного числа, лептонного числа, номера семейства лептонов, и т.д. Это верно и для частиц, являющихся античастицами для самих себя.


Равносимметричная коллекция бозонов материи и антиматерии (X и Y, и анти-X с анти-Y) с правильными свойствами GUT могла бы породить асимметрию материи и антиматерии, которую мы сегодня наблюдаем во Вселенной.

Примечательно тут то, как появляется идея противостояния материи и антиматерии. Если у вас положительное барионное или лептонное число, вы материя. Если отрицательное, вы антиматерия. А если у вас нет барионного или лептонного числа вы ни материя, ни антиматерия! Хотя частиц есть два типа фермионы (кварки и лептоны) и бозоны (всё остальное) в нашей Вселенной только фермионы могут быть материей или антиматерией.

Если нейтрино окажутся майорановскими фермионами, теорию придётся пересмотреть ведь майорановские фермионы могут быть античастицами для самих себя.

Значит, составные частицы, типа пионов или других мезонов, состоящие из комбинаций кварков и антикварков, не относятся ни к материи, ни к антиматерии они состоят и из того, и из другого. Позитроний связанные вместе электрон и позитрон, тоже не относится ни к материи, ни к антиматерии. Если существуют лептокварки или сверхтяжёлые X или Y бозоны из теорий великого объединения, то они будут примером частиц, обладающих одновременно барионным и лептонным числом для них будут варианты как из материи, так и из антиматерии. Если бы теория суперсимметрии была верной, у нас были бы фермионные двойники фотонов фотино не относящиеся ни к материи, ни к антиматерии. У нас могли бы быть даже суперсимметричные бозоны скварки и тогда их варианты частиц и античастиц делились бы на материю и антиматерию.


Частицы Стандартной Модели и их суперсимметричные двойники. Из них нашли чуть меньше половины, а свидетельств существования остальных пока никто не видел. Суперсимметрия должна улучшить Стандартную Модель, но пока ещё не сделала ни одного успешного предсказания.

Очень просто было бы считать, что во Вселенной есть материя, состоящая из частиц, и антиматерия, состоящая из их двойников-античастиц. Частично это так большинство частиц Вселенной состоит из того, что мы считаем материей. Если мы заменим их все на антиматерию, получится то, что мы считаем антиматерией. Это так для всех кварков (с барионным числом +1/3), лептонов (с лептонным числом +1), антикварков (с барионным числом -1/3) и антилептонов (с лептонным числом -1).

Но всё остальное все бозоны, не имеющие барионных и лептонных чисел, все композитные частицы, суммарные барионные и лептонные числа которых равны нулю, находятся в промежуточной области, не принадлежа ни к материи, ни к антиматерии. В таком случае нельзя один их тип отнести к частице, а другой к античастице. Да, W⁺ и W^- могут аннигилировать, как частица/античастица, однако их нельзя разделить на материю и антиматерию, как и все остальные бозоны. Они, так сказать, не могут претендовать на такой статус. Нет смысла спрашивать, какой из них материя, а какой антиматерия. Друг для друга они являются частицей и античастицей, но ни у одного из них нет свойств, характерных для материи или антиматерии.