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
 
JakBym@poczta.onet.pl