POZNAĆ WSZECHŚWIAT - PODSTAWY
BUDOWY
Teraz dla niektórych
może się wydawać mało ciekawie. Ale spokojnie... Rozglądnijcie się. I co
widzicie...? Wszystkie rzeczy które są w pokoju, wszystkie obiekty, które
widzimy tu i za oknem, od naszego własnego ciała po gwiazdy świecące na
niebie są zbudowane z paru rodzaju cząstek elementarnych. Prawdopodobnie
wszystko co widzimy składa się z trzech "części" - kombinacji elektronów
oraz kwarków górnych i dolnych (nie licząc ich kolorów). Obecnie żadne wyniki
doświadczeń nie wskazują aby któraś z tych trzech cząstek była zbudowana z
czegoś jeszcze mniejszego. Istnieją jeszcze inne cząstki, takie jak choćby
neutrina. Do tego są trzy generacje tych wszystkich cząstek. Ale znakomita
większość obiektów w otaczającym nas świecie wymaga istnienia tylko tych
trzech - elektronów, kwarków dolnych i kwarków górnych. Z ich to właśnie
kombinacji zbudowany jesteś Ty, Twój komputer, Ziemia, nasze
Słońce... Kwarki tworzą protony i neutrony, które są składnikami jądra
atomu, wokół którego krążą elektrony tworząc razem atom. Odpowiednie
struktury atomów tworzą całą znaną nam materię. Czyż to nie jest
fascynujące...!?
Do tego mamy cztery główne siły we wszechświecie które są
odpowiedzialne za wszelkie oddziaływania jakim podlega materia. A są to:
grawitacja, elektromagnetyzm, oddziaływanie słabe, oddziaływanie silne. Coś
niecoś o nich bez żadnych zawiłych tłumaczeń fizycznych:
Grawitacja, jak
wiadomo jest siłą sprawiającą, że nie odfruwamy z Ziemi, wszystko co
rzucimy spada, musielibyśmy nadać przedmiotowi potężną prędkość (11 km/s),
aby przezwyciężyć przyciąganie ziemskie i wyrzucić go w przestrzeń
kosmiczną. Natomiast sama Ziemia wraz z innymi planetami dzięki sile
grawitacji Słońca krąży wokół niego. Każdy obiekt o jakiejś masie po przez
siłę grawitacyjną wywiera wpływ na inny obiekt. Masa obiektu jest tutaj miarą
siły grawitacyjnej. Im jest większa, tym większe oddziaływanie grawitacyjne na
drugi obiekt. Oczywiście oddziaływanie to słabnie wraz z odległością. Czyli
im bardziej dany obiekt oddalony jest od drugiego tym siła grawitacyjna
jest słabsza. Nawet nie zdajemy sobie sprawy jak ważna jest to
siła. Właśnie dzięki niej modelowana jest cała powierzchnia
naszej planety. Dzięki grawitacji cała nasza planeta trzyma się kupy,
dzięki tej sile materia skupiła się w ogromną bryłę kulopodobną, którą
zamieszkujemy. W końcu dzięki tej sile istnieje nasze Słońce i inne gwiazdy czy
całe galaktyki.
Siła
elektromagnetyczna. Jej oddziaływanie przybiera różne formy, takie jak
elektryczność, magnetyzm czy światło. Ostatnimi czasy człowiek w sposób
niezwykle użyteczny wykorzystuje elektromagnetyzm. Dzięki temu słuchamy sobie
nagranej muzyki, surfujemy po internecie, rozmawiamy telefonicznie, nasza
żywność wędruje przez urządzenia elektryczne (lodówka, mikrofalówka, piecyk
elektryczny) zanim wyląduje w naszym żołądku. Dzięki laserom otworzyły się
nowe możliwości w chirurgii, komunikacji, technikach audiowizualnych,
precyzyjnej obróbce różnych materiałów, a także i w wojsku. Siła ta leży zarówno
u podstaw groźnych burz z piorunami jak i w zwykłym dotyku dłoni. Ładunek
elektryczny cząstki określa wielkość siły elektromagnetycznej, z jaką cząstka
działa lub jakiej podlega. Cząstki mające ładunek tego samego znaku
odpychają się od siebie, natomiast cząstki naładowane przeciwnie przyciągają
się.
Oddziaływanie silne
i słabe odgrywa istotną rolę tylko w skali subatomowej. Oddziaływanie silne
"skleja" kwarki wewnątrz protonów i neutronów oraz silnie je wiąże wewnątrz
jądra atomowego. Wiązanie kwarków jest tak mocne, że właściwie nie w
sposób je rozdzielić. Nigdy jeszcze nie wykryto eksperymentalnie ich jako
cząstek swobodnych. Silne oddziaływanie jądrowe dostarczają energii gwiazdom,
dzięki czemu mogą świecić, dzięki czemu mogą istnieć. Dlaczego? Dlatego, że
wewnątrz gwiazdy w ogromnej temperaturze dochodzi do syntezy jądrowej
uwalniającej znaczne ilości energii - energii gwiazd. Co ma do tego
oddziaływanie silne? Otóż synteza jądrowa to proces łączenia jąder lekkich
pierwiastków w jądra cięższych pierwiastków, jądra posiadają dodatni ładunek
elektryczny i wzajemnie się odpychają. Jedynie oddziaływanie silne może
przezwyciężyć to odpychanie i stąd mamy syntezę jądrową (takie reakcje
najłatwiej osiągalne są w wysokich temperaturach, dlatego nazywane są też
reakcjami termojądrowymi).
Oddziaływanie słabe odpowiedzialne jest za niektóre formy
rozpadu radioaktywnego (rozpad beta). Ponieważ radioaktywne atomy uwalniają
ciepło w trakcie rozpadu, dochodzi do wzrostu temperatury radioaktywnych
skał głęboko wewnątrz Ziemi pod sporym ciśnieniem powodując
przejście skał w magmę. Owocuje to wulkanizmem, który jest
częścią obiegu materii na naszej planecie. Słabe oddziaływania są również
wykorzystywane do leczenia poważnych chorób (radioaktywnej jodyny używa się do
zwalczania guzów tarczycy, a promieniowania radioaktywnego kobaltu do zwalczania
pewnych rodzajów raka). Oczywiście siła rozpadu radioaktywnego może być tez
śmiercionośna - odpady radioaktywne, jako nieuniknony produkt uboczny przemysłu
jądrowego i elektrowni atomowej. Czy też same awarie takich elektrowni
atomowych, jak w Czarnobylu czy na Three Mile Island.
Tak w skrócie i
uproszczeniu mamy opis tych sił. Co ciekawe, na poziomie mikroskopowym każda z
tych sił ma swoją cząstkę wyobrażaną jako maleńka porcja siły. W siłach
elektromagnetycznych są to fotony, w oddziaływaniu silnym - gluony, w
oddziaływaniu słabym - bozony pośredniczące, a w grawitacji grawitony. Trzy z
tych pierwszych cząstek są eksperymentalnie potwierdzone, natomiast grawiton
wciąż czeka na potwierdzenie doświadczalne. Jak widać siły te mają przeróżne
właściwości, a ich moce oddziaływania bardzo się różnią. Przykładowo dwa
protony oddziałują na siebie poprzez każdy z czterech wymienionych rodzajów
oddziaływań, przy czym siły działające na skutek oddziaływania silnego są ok.
stukrotnie większe niż elektromagnetyczne, które z kolei są tysiąckrotnie
większe od sił oddziaływania słabego, te ostatnie są aż 10^37 razy większe od
sił grawitacji działających pomiędzy nimi. A zatem największą
siłą jest oddziaływanie silne, natomiast siła grawitacyjna jest
niezwykle słaba. Biorąc pod uwagę, że w makroświecie oddziaływania silne i
słabe nie liczą się można zastanowić się dlaczego siła elektromagnetyczna nie
zdominowała grawitacji, która jest o 10^42 słabsza (wielkość tej liczby
przybliża pewne porównanie zawarte w "PW - Narodziny"). Otóż większość
ciał składa się z takiej samej liczby ujemnych i dodatnich liczby ładunków
elektrycznych, których wpływy się znoszą. Do tego siła grawitacji jest zawsze
przyciągająca i im więcej będzie materii tym siła ta będzie
większa.
Opis materii oraz
oddziaływań fizycznych przedstawiony tutaj miał charakter kwantowy. Właściwie
wszystko sprowadziliśmy do malutkich cząstek, które budują i tworzą
wszechświat. Taki model wszechświata jest obliczem mechaniki kwantowej, na
podstawie ktorej został opracowany model standardowy - czyli model budowy i
działania wszechświata. Czy ten model to ostateczny model wszechswiata? O
nie, z pewnościa nie. Za pomoca kwantowej budowy wszechświata nie wszysko można
wytłumaczyć. Nijaki Albert Einstein wszechświat widział całkiem inaczej. Ale o
tym będzie w innym rozdziale...
JakBym