Tragom zvezda

Elementarne čestice

Pomoću dualnosti talas-čestica, sve u univerzumu se, računajući i svetlost i gravitaciju može opisati iz perspektive čestica. Čestice imaju jedno posebno svojstvo koje zovemo spin. Ono što nam spin govori o čestici je zapravo kako ona izgleda kada se gleda iz različitih pravaca. Čestica sa spinom 0 odgovara tački, izgleda isto iz svih pravaca. Sa druge strane čestica sa spinom 1 izgleda kao strela, izgleda različito iz svih pravaca, tj. jedino izgleda isto ako je okrenemo za 360 stepeni. Čestici sa spinom 2 odgovara dvostrana strela, izgleda isto ako se okrene za 180 stepeni. Međutim, ono što je čudno je to što postoje čestice koje isto izgledaju tek kada se okrenu za dva puna kruga. Za ovakve čestice se kaže da imaju spin ½. Sve poznate čestice se mogu podeliti na dve grupe : čestice sa spinom ½ od kojih se sastoji sva materija i čestice sa spinom 0,1 ili 2 koje stoje u osnovi sila koje deluju između materije.

Fundamenti prirode : elementarne čestice i nosioci interakcija

Čestice materije se pokoravaju onome što se naziva Paulijev princip isključivosti. Ovaj princip je 1925 otkrio Volfgang Pauli za šta mu je 1945. pripala i Nobelova nagrada. Paulijev princip kaže da dve istovetne čestice ne mogu postojati u istom stanju, odnosno one ne mogu imati isti položaj i istu brzinu u okviru međa koje određuje princip neodređenosti. Princip isključivosti je od ključne važnosti zato što objašnjava zbog čega ne dolazi do kolabiranja čestica materije u stanje veoma velike gustine pod dejstvom sila što ih stvaraju čestice sa spinom 0,1 ili 2. Da čestice materije imaju praktično iste položaje, onda bi morale imati različite brzine, što znači da se ne bi dugo zadržavale na istom mestu. Da je svet stvoren bez ovog principa, kvarkovi ne bi obrazovali zasebne, sasvim određene protone i neutrone. Svi bi kolabirali, obrazujući uglavnom jednoobraznu gustu ‘supu’. Do ispravnog razumevanja elektrona i drugih čestica sa spinom ½ došlo je tek 1928. kada je Pol Dirak postavio svoju znamenitu teoriju. Ona je bila prva teorija koja se slagala i sa kvantnom mehanikom i sa teorijom relativnosti. Ona je matematički objašnjavala zašto elektron ima spin ½, zašto ne izgleda isto kada se okrene za pun krug. Ova teorija je predviđala da elektron ima dva parnjaka : antielektron i pozitron. Otkriće pozitrona 1932. potvrdilo je Dirakovu teoriju pa je on 1933. dobio Nobelovu nagradu za svoj rad. Danas znamo da svaka čestica ima svoju antičesticu sa kojom može da se potre. U kvantnoj mehanici se smatra da se sile ili međudejstva između čestica odigravaju posredstvom čestica čiji je spin ceo broj. Događa se, zapravo, da čestica materije kao što je elektron ili kvark emituje česticu koja nosi silu. Posledica emitovanja jeste promena brzine čestice materije. Čestica koja nosi silu se sudara sa drugom česticom i biva apsorbovana. Ovaj sudar menja brzinu druge čestice, baš kao da je došlo do međudejstva dve čestice materije. Važno svojstvo čestica koje nose silu jeste to da se one ne pokoravaju principu isključivosti. Ovo znači da ne postoji granica u broju čestica koje mogu biti razmenjene, tako da su one u stanju da proizvedu jaku silu. Ako, međutim, čestice koje nose sile imaju veliku masu, onda ih je teško proizoditi i razmenjivati na velikim udaljenostima. Zbog toga će sile koje one nose imati kratak domet. S druge strane ako čestice koje nose silu nemaju vlastitu masu, te sile će biti dalekometne. Čestice sa spinom 0,1 i 2 postoje pod određenim okolnostima i kao stvarne čestice, kada se neposredno mogu meriti. One se pojavljuju u obliku kao što je to talas.

Četiri sile prirode ujedinjene u supersilu na početku univerzuma

Čestice koje nose silu mogu se podeliti u četiri vrste, prema snazi sile koju nose i prema česticama s kojima stupaju u međudejstvo. Ova podela je naravno uslovna jer možda ne odgovara dubljim slojevima stvarnosti. Postoji nada da će se jednog dana otkriti objedinjena teorija koja će da objasni sve ove sile kao samo vidove jedne jedinstvene sile. Prva vrsta je gravitaciona sila. Ova sila je univerzalna, odnosno svaka čestica oseća silu teže u zavisnosti od svoje mase i energije. Ona je najslabija od sve četiri sile, ali ima dva posebna svojstva, dejstvuje na ogromnim udaljenostima i uvek je privlačna. Ovo znači da se kod masivnih tela sile na pojedinačne čestice sabiraju što rezultuje poprilično jakom silom kada se radi o masivnim objektima poput Sunca ili Zemlje. Ostale tri sile su kratkodometne, ponekad privlačne, ponekad odbojne te tako teže da se poništavaju. Prema kvantnoj mehanici nosioci gravitacione sile su čestice sa spinom 2, koje se nazivaju gravitoni. Oni nemaju masu pa je zbog toga gravitaciona sila dalekodometna. Gravitaciona sila između Sunca i Zemlje se pripisuje razmeni gravitona. Svaki graviton pravi gravitacioni talas ali toliko slab da ovi talasi eksperimentalno, kao i sam graviton još nisu potvrđeni iako postoje eksperimenti koji ukazuju na njihovo postojanje. Sledeća vrsta sile je elektromagnetna koja stupa u dejstvo sa naelektrisanim česticama, ali ne i sa česticama bez naelektrisanja. Znatno je snažnija od gravitacije. Sila između dva ista naboja je odbojna a između različitih naboja je privlačna. Velika tela kao što su Sunce i Zemlja sadrže približno jednak broj pozitivnih i negativnih naelektrisanja pa se ova sila praktično poništava. Zato nemamo tu vrstu privlačenja između ova dva nebeska tela. Ali u malim razmerama, ova sila preovlađuje. Ona je odgovorna za kruženje elektrona u atomu oko jezgra. Smatra se da u pozadini elektromagnetne sile stoji razmena velikog broja virtuelnih čestica bez mase, sa spinom 1, koji se nazivaju fotoni. Kada elektron pređe sa jedne dopuštene orbite u atomu na drugu, bliže jezgru oslobađa se energija i emituje se stvarni foton .

Treću vrstu sile predstavlja slaba nuklearna sila, koja stoji u osnovi radioaktivnosti i koja dejstvuje na sve čestice materije sa spinom ½ ali ne i na one sa celobrojnim spinovima. Prava priroda slabe sile je shvaćena tek 1967, kada su Abdus Salam i Stiven Vajnberg postavili teorije koje su objedinile ovu vrstu međudejstva sa elektromagnetnom silom. Po ovoj teoriji, pored fotona postoje još tri čestice sa spinom 1, koje se zajedno nazivaju masivni vektorski bozoni i koji nose slabu silu. Zovu se W+ bozon, W- bozon i Z0 i svaki od njih ima masu od 100 GeV. Iz ove teorije proizilazi jedno poznato svojstvo poznato kao spontano razbijanje simetrije. Ono, naime, što je izgledalo kao izvestan broj potpuno različitih čestica na niskim energijama, pokazuje se zapravo kao isti tip čestice samo u različitim stanjima. Na visokim energijama se ove čestice slično ponašaju. Prema ovom narušavanju simetrije, na nižim temperaturama, ove čestice se ponašaju različito iako na većim energijama su iste. Dolazi do razbijanja simetrije između čestica W+,W- i Z0, one stiču veliku masu pa je normalno da ova sila bude kratkodometna. Pošto su sa razvojem akceleratora čestica napokon detektovani ovi bozoni, Salam i Vajnberg su 1979. dobili Nobelovu nagradu. Četvrtu vrstu sile predstavlja jaka nuklearna sila koja drži na okupu kvarkove u protonu i neutronu kao i proton i neutron zajeno u jezgru. Ovu sili prenosi čestica sa spinom 1, nazvana gluon, koja samo stupa u dejstvo sa samom sobom i sa kvarkovima. Jaka nuklearna sila ima jedno neobično svojstvo koje se naziva ograničenje. Uvek povezuje čestice u takve kombinacije koje nemaju boju. Ne može se izdvojeno imati jedan kvark, zato što bi on imao boju. Umesto toga jedan crveni kvark mora da bude gluonom povezan sa jednim plavim i jednim zelenim kvarkom. Ovakva trojka obrazuje jedan roton ili jedan neutron. Druga mogućnost je par u čiji sastav ulaze jedan kvark i jedan antikvark. Ovakve kombinacije čine čestice koji se nazivaju mezoni i koje su nestabilne, zato što se kvark i antikvark mogu poništiti, pri čemu nastaju elektron i druge čestice.