Физика частиц в вашем теле
Есть гипотеза, что каждую молекулу воды на Земле кто-то уже пил хотя бы раз за всю многомиллионную историю эволюции жизни. Но если посмотреть ещё глубже — на уровень химических элементов — то окажется что наше тело гораздо древнее, сколько бы лет от роду вам ни было. Об этом и многом другом рассказывает Иван Лозовой в новом видео наших друзей на канале Sci-One. А текстовую версию читайте под катом.
14 миллиардов лет назад наша Вселенная была горячей сверхплотной крупицей, которая невероятно быстро расширялась. Вся материя и антиматерия, что были в те времена, должны были уничтожиться и не оставить нам ничего, кроме энергии. Но почему-то часть материи сохранилась, и сейчас мы живём в мире элементарных частиц. И мало кто догадывается, что это за мир такой на самом деле, и какое место мы в нём занимаем.
Примерно 99% вашего тела состоит из атомов водорода, углерода, азота и кислорода. Есть, конечно, и другие элементы, без которых не прожить, но их намного меньше. Большинство клеток вашего тела обновляется каждые 7–15 лет, но многим частицам, из которых вы сложены, уже миллионы тысячелетий. Ваши атомы водорода — ровесники Большого взрыва. Атомы углерода, азота и кислорода появились с первыми звездами во Вселенной. Самые тяжелые элементы в вашем теле появились во время вспышек сверхновых.
Размер атома зависит от того, как расположены его электроны. Ядро, находящееся внутри атома, приблизительно в 100 тысяч раз меньше самого элемента. Если бы ядро было размером с горошину, атом был бы по размеру с футбольный стадион. А если из атома убрать свободное пространство, человек мог бы уместиться в пылинке, а всё человечество — в одном сахарном кубике.
Эти частицы составляют лишь малейшую часть вашей массы тела. Каждый протон и нейтрон внутри ядра атома состоит из трех кварков. Масса кварков, которые появляются из-за их взаимодействия с полем Хиггса, составляет лишь несколько процентов от массы протона или нейтрона. Переносчики сильного ядерного взаимодействия, удерживающего кварки вместе — глюоны — и вовсе невесомы. Но если масса вашего тела — это не масса этих частиц, то откуда она берется?
Всё дело в энергии. Почти вся масса человеческого тела состоит из кинетической энергии кварков и энергии связи глюонов.
Ваше тело — это маленькое месторождение радиоактивных элементов. Каждый год вы получаете дозу природной радиации величиной в 400 микрозивертов — она генерируется внутри вас. Такое же количество радиации вы получаете во время четырех рентгенографий грудной клетки. Также уровень радиации вашего тела может увеличиваться на 10–20 микрозивертов каждые восемь часов, пока вы спите рядом с вашим, таким же радиоактивным, любимым человеком.
Вы изучаете радиацию, потому что еда и напитки, которые вы потребляете, и даже воздух, которым вы дышите, содержит радионуклиды, такие как калий-40 и углерод-14. Они взаимодействуют с молекулами вашего тела, распадаются и продуцируют радиацию. Когда калий-40 распадается, он излучает позитрон — античастицу электрона. Таким образом, ваше тело содержит небольшое количество антиматерии. В среднем каждый человек излучает более четырех тысяч позитронов в день, примерно 180 позитронов в час. Но вскоре эти позитроны сталкиваются с вашими электронами и превращаются в радиацию в форме гамма-излучения.
Радиоактивность вашего тела — лишь часть той радиации, с которой вы сталкиваетесь каждый день, не получая вреда. Еда, которую вы потребляете, дом, в котором вы живете, камни и почва, по которым вы ходите, обдают вас низким уровнем радиации. Если вы просто съедите грецкий орех или сходите к зубному врачу, то получите уровень радиации в несколько десятков микрозивертов. Кстати, курение может повысить уровень радиации на 160 тысяч микрозивертов. А ещё есть космическое излучение. Оно имеет внеземное происхождение и постоянно проникает сквозь атмосферу. Здесь это излучение сталкивается с другими ядрами и производит мезоны, многие из которых распадаются на частицы, такие, как мюоны и нейтрино. Эти частицы, в свою очередь, падают на поверхность Земли и проникают в ваших тела с частотой примерно 10 атомов в секунду. Они добавляют примерно 270 микрозивертов к вашей годовой дозе радиации. Эти космические частицы могут иногда нарушать вашу генетику и продуцировать возникновение небольших мутаций, тем самым внося свой вклад в эволюцию.
Солнце постоянно бомбардирует нас фотонами, которые позволяют нам видеть этот мир. Но Солнце атакует нас и частицами, называемыми нейтрино. Нейтрино — постоянные гости вашего тела, проникающие в вас в количестве 100 трлн в секунду. Солнце — не единственный источник этих частиц, они приходят также из ядерных реакций внутри других звезд, и даже из ядерных реакций на нашей собственной планете.
Многие нейтрино образовались еще в первые несколько секунд после Большого взрыва, и они старше даже ваших собственных атомов. Нейтрино очень слабо взаимодействуют с другими частицами, и поэтому их визиты для вашего тела проходят практически бесследно.
Также ваше тело, скорее всего, постоянно взаимодействует с частицами темной материи. Она не излучает, не отражает и не поглощает свет, и поэтому ее очень сложно обнаружить. Однако ученые считают, что темная материя составляет примерно 80% всего вещества во Вселенной. Учитывая такое большое количество, предполагается, что сотни тысяч этих частиц взаимодействуют с вашим телом каждую секунду.
Но темная материя слабо взаимодействует с материей, из которой вы состоите, и поэтому эффекты этого взаимодействия, скорее всего, незаметны. В следующий раз, когда вы заинтересуетесь, как физика элементарных частиц влияет на вашу жизнь, просто загляните в себя.
Источник
Почитать еще по теме:
