Biosoft


Institutul de tehnologii bioinformationale

Aventura particulelor elementare – Partea a III-a: Ce face ca Lumea să fie stabilă?

Acum credem că avem o idee clară despre compoziţia lumii: cuarci şi leptoni. Deci…ce anume le menţine împreună, ce face ca lumea să fie stabilă? Cum interacţionează materia cu materia?

cele 4 forte

Iată o reprezentare pe înşelesul tuturor al celor 4 tipuri de forţe cunoscute.

Universul, pe care îl cunoaştem şi iubim, există datorită interacţiilor particulelor fundamentale. Aceste interacţiuni includ forţele de atracţie şi de respingere, dezintegrarea unei particule şi anihilarea de particule. Există patru interacţiuni fundamentale între particule şi toate forţele din lume pot fi explicate prin aceste patru interacţiuni fundamentale. Din nou, cuvântul cheie este “fundamental”.

Orice forţă la care te poţi gândi (frecare, magnetism, gravitaţie, dezintegrare nucleară şi aşa mai departe) este cauzată de una dintre aceste patru interacţiuni fundamentale (în ordinea în care vor fi prezentate mai jos): forţa electromagnetică, forţa tare, forţa slabă, forţa gravitaţională.

Care este diferenţa dintre o forţă şi o interacţiune?

Noţiunile sunt foarte asemenătoare. O forţă este efectul asupra unei particule datorită prezenţei unei alte particule. Interacţiunile unei particule includ toate forţele care o afectează, dar includ şi dezintegrările şi anihilările prin care particula s-ar putea să treacă. (Vom discuta despre aceste dezintegrări şi anihilări mai amănunţit în capitolul următor.)

Această confuzie apare din faptul că majoritatea oamenilor, chiar şi majoritatea oamenilor de ştiinţă folosesc termenii de “forţă” şi “interacţiune” cu acelaşi sens, deşi cel mai potrivit ar fi acela de “interacţiune”. De exemplu, numim particulele mediatoare ale interacţiunii ca particule purtătoare de forţă. Va fi în regulă dacă vei folosi aceşti termeni cu sens echivalent, dar ar trebui să ştii ca ei sunt totuşi puţin diferiţi.

Cum interactioneaza materia cu materia?

Este o întrebare dificilă care i-a chinuit pe fizicieni mulţi ani….Problema constă în faptul că lucrurile interacţionează fără a se atinge!  Cum ,,simte’’ unul magnet prezenţa altui magnet şi cum se atrag sau se resping în funcţie de ceea ce ,,simt’’? Cum atrage Soarele Pământul de la distanţă? Ştim că răspunsurile la aceste întrebări sunt ,,magnetismul’’ şi ,,gravitaţia’’, dar ce sunt aceste forţe? La nivel fundamental, o forţă nu este ceva care se întâmplă pur şi simplu particulelor. Ea este un lucru care este transferat între două particule.

Doi magneţi ce înteracţionează fără a se atinge. Adică fiecare magnet acţionează cu o forţă asupra celuilalt de la distanţă.

Efectul nevăzut

Poţi să te gândeşti la forţe ca fiind analoage cu următoarea situaţie:

Flash minge de baschet

Doi oameni stau pe un mic lac îngheţat. O persoană îşi mişcă braţul şi este împinsă înapoi; un moment mai târziu, cealaltă persoană ia un obiect invizibil şi este împinsă înapoi. Chiar dacă nu poţi să vezi  o minge de baschet, poţi presupune că o persoană a aruncat o minge de baschet celeilalte persoane întrucât tu vezi efectul ei asupra oamenilor.(Daţi click pe semnul de sub animaţie pentru a face mingea de baschet să apară şi să dispară)

Rezultă că toate interacţiunile care afectează particule de materie sunt datorate unui schimb între particulele purtătoare de forţe, cu totul un alt tip de particule. Oamenii de pe gheaţă sunt echivalentul particulelor de materie, iar mingea de baschet este echivalentul particulelor purtătoare de forţe. Ceea ce noi credem că sunt ,,forţe’’ sunt de fapt efectele particulelor purtătoare de forţe asupra particulelor materiei.

Animaţia cu mingea de baschet este desigur o analogie foarte grosolană întrucât ea poate să explice doar forţele de respingere şi ea nu dă nici un indiciu despre modul în care din particulele interschimbare pot rezulta forţe de atracţie.
Vedem exemple de forţe de atracţie în viaţa de toate zilele (cum ar fi magneţii şi gravitaţia) şi astfel generalizăm că prezenţa unui obiect poate clar să afecteze un alt obiect. Doar când studiem întrebarea ,,Cum pot două obiecte să se afecteze unul pe celălalt fără a se atinge?’’, ne dăm seama că forţa invizibilă ar putea fi interschimbul particulelor purtătoare de forţă. Fizicienii particulelor au descoperit că putem explica forţa acţiunii unei particule asupra alteia cu precizie incredibilă cu ajutorul interschimbării acestor particule purtătoare de forţă.

Un lucru important de ştiut despre purtătorii forţelor este că particulă purtătoare de o forţă anumită poate să fie doar absorbită şi produsă de o particulă a materiei care este afectată de acea forţă anumită. De exemplu, electronii şi protonii  sunt încărcaţi din punct de vedere electric, deci ei pot produce şi absorbi fotonul, purtătorul forţei electromagnetice. Pe de altă parte, neutrinii nu sunt încărcaţi din punct de vedere electric, deci ei nu pot absorbi sau produce fotoni.

Avertizare! Dacă absorbi sau produci o particulă mediatoare de o interacţie fundamentală, atunci trebuie neapărat să te laşi indluenţat de acest tip de interacţie. În caz contrar, veţi fi arestaţi pentru subminarea realităţii!

Forţa electromagnetică

Forţa electromagnetică face ca obiecte încărcate cu sarcină electrică de acelaşi semn să se respingă, iar cele încărcate cu sarcină electrică de semn opus să se atragă. Multe forţe din zilele noastre, cum ar fi frecarea şi chiar magnetismul sunt cauzate de forţa electromagnetică sau forţa EM. De exemplu, forţa care nu îţi permite să cazi pe podea este forţa electromagnetică care face ca atomii care alcătuiesc materialul din picioarele tale şi cek dub podea să reziste tendinţei de a se întrepătrunde.

Fotonul este particula purtătoare de forţă electromagnetică. Fotonii de energii diferite cuprind întregul spectru electromagnetic, precum razele X, lumina vizibilă, undele radio, etc. Fotonii au masa nulă din câte ştim până acum şi întotdeauna călătoresc la “viteza luminii în vid”, c, care este de aproximativ 300,000,000 de metri pe secundă.

Sarcini electrice de semne diferite se atrag, iar cele de sarcini de acelaşi semn se resping.

Forţa electromagnetică reziduală

Atomii au de obicei un număr egal de protoni şi de electroni. Ei sunt neutri din punct de vedere electric întrucât protonii pozitivi anulează electronii negativi. Din moment ce ei sunt neutri, ce îi determină să se lipească pentru a forma molecule stabile?

Răspunsul este puţin ciudat: am descoperit că părţile încărcate electric ale unui atom pot interacţiona cu părţile încărcate electric ale unui alt atom. Acest lucru permite atomilor diferiţi să  se unească, efectul acestui lucru numindu-se forţa electromagnetică reziduală.

Deci forţa electromagnetică le permite atomilor să se unească şi să formeze molecule, permiţând astfel Lumii să fie stabilă şi să creeze materia cu care interacţionezi tot timpul. Uimitor, nu-i aşa? Toate structurile lumii există pur şi simplu pentru că protonii şi electronii au sarcini electrice opuse.

Forţa reziduală E-M în acţiune: atomii sunt neutrii din punct de vedere electric, dar electronii dintr-un atom sunt atraşi de protonii din altul şi vice-versa! Vedeţi? Acum cunoaşteţi sensul vieţii! Viaţa este doar un exemplu simplu de forţă electromagnetică!

Dar nucleul, cum de e stabil?

Totuşi avem o altă problemă în privinţa atomilor. Ce anume face ca protonii şi neutronii să stea impreună în nucleu, făcând ca nuceul şi deci atomii să fie stabili?

Nucleul unui atom este alcătuit din protoni şi neutroni îngrămădiţi laolaltă. Din moment ce neutronii nu sunt încărcaţi electric şi protonii încărcaţi pozitiv se resping unii pe alţii, de ce nu explodează nucleul?

Doar cu forţa elelctromagnetică  nu putem explica de ce nucleul nu explodează. Ce altceva s-ar putea să fie? Gravitaţia? Nu! Forţa gravitaţională este mult prea slabă pentru a învinge forţa electromagnetică. Deci cum putem rezolva această dilemă?

Forţa tare

Pentru a înţelege ce se întâmplă în interiorul nucleului, avem nevoie să înţelegem mai multe despre cuarcii care alcătuiesc protonii şi neutronii din nucleu. Cuarcii au sarcină electrică, dar ei au un tip total diferit de sarcină numit sarcină de culoare. Forţa dintre particulele încărcate cu sarcină de culoare este foarte puternică, deci această forţă este denumită forţa nucleară tare, sau forţa tare.

Forţa tare menţine cuarcii împreună pentru a forma hadroni, astfel că aceste particule purtătoare ale forţei tari sunt denumite gluoni întrucât ele “lipesc” cuarcii împreună („to glue” în limba engleză înseamnă „a lipi” şi există şi un produs de lipit destul de cunoscut numit „super-glue”).

Sarcina de culoare se comportă diferit faţă de sarcina electromagnetică. Gluonii înşisi au sarcină de culoare, ceea ce este ciudat, căci fotonii nu sunt încărcaţi electromagnetic. În timp ce cuarcii au sarcină de culoare, particulele compuse alcătuite din cuarci nu au sarcină de culoare (ele sunt neutre din punct de vedere al culorii). Din acest motiv, forţa tare îşi face simţită prezenţa doar la distanţe mici unde interacţionează cuarcii, iar din această cauză  forţa tare nu are nici un efect în viaţa de toate zilele.

Sarcina de culoare

Cuarcii şi gluonii sunt particule care au sarcină de culoare. La fel cum particulele încărcate electric interacţionează interschimbând fotoni din interacţiuni electromagnetice, particulele cu sarcină de culoare interschimbă gluoni în interacţiuni tar.  Când doi cuarci sunt apropiaţi, ei interschimbă gluoni şi crează un câmp foarte puternic de forţă de culoare  care leaga cuarcii împreună. Câmpul de forţă devine tot mai puternic pe măsură ce cuarcii se îndepărtează. Cuarcii îşi schimba sarcina de culoare în mod constant pe măsură ce ei interschimba gluoni cu alţi cuarci.

Există trei sarcini de culoare şi trei sarcini de anticuloare corespunzătoare (culori complementare). Fiecare cuarc are una dintre cele trei sarcini de culoare şi fiecare anticuarc are una dintre cele trei sarcini de anticuloare. La fel cum o combinaţie de lumină roşie, verde şi albastră conduce la lumină albă, într-un barion  o combinaţie de sarcini de culoare ‘’roşie’’, ‘’verde’’ şi ‘’albastră’’ este neutră din punct de vedere al culorii, iar într-un antibarion o combinaţie de “antiroşu’’, “antiverde’’ şi  “antialbastru’’ este de asemenea neutră ca şi culoare. Mesonii sunt neutrii din punct de vedere al culorii întrucât ei au combinaţii de genul ,,roşu’’ şi ,,antiroşu’’.

Cuarcii au o culoare. Anti-cuarcii au o anti-culoare. Gluonii au o culoare şi o anti-culoare.

Întrucât emisia şi absorbţia de gluoni întotdeauna provoacă schimbarea culorii cuarcilor ce emit sau absorb gluonii şi cum în plus culoarea este o cantitate conservată, se poate crede despre gluoni că poartă o sarcină de culoare şi una de anticuloare. Din moment ce există nouă posibile combinaţii culoare- anticuloare, ne-am putea aştepta la nouă posibile sarcini ale gluonilor, dar din matematică reiese că există doar opt combinaţii. Din păcate, nu există nici o explicaţie intuitivă pentru acest rezultat.

Atenţionare importantă: ‘’Sarcina de culoare’’ nu are nici o legătură cu culorile vizibile, ea este doar o convenţie convenabilă de nume pentru un sistem mathematic pe care fizicienii l-au dezvoltat pentru a explica observaţiile lor despre cuarcii din hadroni.

Confinarea cuarcilor

Particulele care au sarcină de culoare nu pot fi exista individual, ca entităţi de sine stătătoare. De aceea,  cuarcii cu sarcină de culoare sunt grupaţi împreună cu alţi cuarci în particule numite hadroni. Aceste grupuri compuse sunt neutre din punct de vedere al culorii.

Dezvoltarea teoriei Modelului Standard al interacţiei tari a arătat dovezi  referitoare la combinarea cuarcilor în barioni (obiecte care conţine trei cuarci) şi mesoni (obiecte care conţin un cuarc şi un anticuarc), dar nu şi de exemplu, obiecte care să conţină patru cuarci. Acum înţelegem că numai barionii (trei culori diferite) şi mesonii (culoare şi anticuloare) sunt neutri din punct de vedere al culorii. Particule ca ud sau uddd care nu pot fi combinate în stări neutre din punct de vedere al culorii şi de aceea nu există şi nu sunt niciodată observate.

Câmpul forţei de culoare

Cuarcii dintr-un hadron emit şi absorb o mulţime de gluoni. De aceea, fizicienii vorbesc despre câmpul forţei de culoare, câmp alcătuit din gluoni, ca fiind cel ce menţine cuarcii împreună..

Dacă unul dintre cuarcii dintr-un anumit hadron este îndepărtat de vecinii lui, câmpul forţei de culoare se ,,întinde’’ între cuarc şi vecinii lui. Astfel, tot mai multă energie se adaugă câmpului forţei de culoare pe măsură ce cuarcii sunt îndepărtaţi. Într-un anumit punct, este mai ieftin din punct de vedere energetic pentru câmpul forţei de culoare să “plesnească” şi să creeze o pereche nouă de cuarc-anticuarc. În acest proces energia este conservată întrucât energia câmpului forţei de culoare este convertită în masa noilor cuarci şi câmpul forţei de culoare se poate ,,relaxa’’ din nou în starea “netensionată”.

Cuarcii nu pot exista individual întrucât forţa de culoare creşte pe măsură ce ei sunt îndepărtaţi.

Cuarcii emit gluoni

Culoarea cuarcilor este întotdeauna conservată. Când un cuarc emite sau absoarbe un gluon, culoarea acelui cuarc trebuie să se schimbe pentru a conserva sarcina de culoare. De exemplu, să presupunem că un cuarc roşu se schimbă într-un cuarc albastru şi emite un gluon roşu/ antialbastru (imaginea de mai jos ilustrează antialbastrul ca galben). Culoarea finală este totuşi roşu. Aceasta este datorită faptului că după emisia gluonului, culoarea albastră a  cuarcului se anulează  cu culoarea antialbastru a gluonului. Culoarea care rămâne este culoarea roşie a gluonului.

Cuarcii emit şi absorb gluoni foarte frecvent într-un hadron, deci nu există posibilitatea de a observa culoarea unui singur cuarc. În interiorul unui hadron, totuşi, culoarea celor doi cuarci care interschimbă un gluon se va schimba într-un mod care menţine sistem legat într-o stare neutră din punct de vedere al culorii.

Forţa tare reziduală

Acum ştim că forţa puternică  leagă cuarcii împreună deoarece cuarcii au sarcină de culoare. Dar acest lucru totuşi nu explică ce anume menţine un nucleu stabil, din moment ce protonii pozitivi se resping unii pe alţii cu forţa electromagnetică, iar protonii şi neutronii sunt neutri din punct de vedere al sarcinii de culoare. Deci ce menţine nucleele împreună?

Răspunsul, pe scurt,  este că nu degeaba îi zice forţa tare. Forţa tare dintre cuarcii dintr-un proton şi cuarcii dintr-un alt proton este suficient de puternică pentru a depăşi forţa electromagnetică de respingere.

Aceasta este denumită interacţiunea puternică şi ea ţine împreună protonii şi neutronii în un nucleu stabil.

Forţa slabă

Există şase tipuri de cuarci şi şase tipuri de leptoni. Însă toată materia stabilă din univers pare să fie făcută din cei mai uşori doi cuarci (cuarcul up şi cuarcul down), cel mai uşor lepton încărcat cu sarcină electrică (electronul) şi neutrinii.

Interacţiunile slabe sunt responsabile pentru dezintegrarea cuarcilor şi leptonilor masivi în cuarci şi leptoni mai uşori. Când particulele fundamentale se dezintegrează, un fenomen ciudat are loc: observăm cum particula dispare şi este înlocuită de două sau mai multe particule diferite. Cu toate că totalul de masă si energie se conservă, o parte din masa particulei originale este convertită în energie cinetică şi particulele rezultante au întotdeauna suma maselor mai mică decât masa particulei originale care s-a descompus.

Forţa slabă

Singura materie stabilă din jurul nostru este alcătuită din cei mai uşori cuarci şi leptoni, care nu se pot descompune mai departe.

Când un cuarc sau un lepton îşi schimbă tipul (de exemplu, un muon care se schimbă într-un electron) se spune că îşi schimbă savoarea, sau aroma. Toate schimbările de savoare sunt datorate interacţiunii slabe. Particulele purtătoare ale interacţiunilor slabe sunt particulele W+, W- şi Z. W-urile sunt încărcate electric, iar Z este neutru. Modelul Standard a unit interacţiunile electromagnetice şi interacţiunile slabe într-una unificată denumită interacţiunea electroslabă.

Savorile cuarcilor

Fiecare cuarc are o anumită savoare, sau aromă, sau tip, care este exact termenul pe care îl folosesc fizicienii pentru a face distincţia dintre cele şase tipuri de cuarci. De exemplu, savoarea unui cuarc up este pur şi simplu ,,up’’ sau “down”, sau “charm”, sau “strange”, sau “bottom”, sau “top”.

Interacţiunile slabe mediate de particule încărcate electric (de particule W+ şi W-) şi numai ele pot schimba savoarea unei particule! Interacţiunile slabe care implică particula neutră Z nu pot schimba savoarea unei particule.

Leptonii au şi ei o savoare. În plus, ei au număr pentru electron, moun şi tau, după cum s-a menţionat mai devreme. În timp ce savoarea leptonului este schimbat de către interacţiunile slabe, procesul conservă numerele electronului, muonului şi tau-ului.

Forţa electroslabă

În Modelul Standard, interacţiunile slabă şi electromagnetică au fost combinate într-o teorie unificată electroslabă. Fizicienii au crezut mult timp că forţele slabe au avut o legătură strânsă cu forţele electromagnetice.

Forţa electroslabă

Până la urmă ei au descoperit că la distanţe foarte scurte (aproximativ 10-18  metri), tăria interacţiei slabe este comparabilă cu cea a interacţiei electromagnetice. Pe de altă parte, la o distanţă de treizeci de ori mai mari decât precedenta (3×10-17 m), tăria interacţiunii slabe este de 10.000 mai mică decât cea a interacţiunii electromagnetice. La distanţe specifice cuarcilor într-un proton sau neutron (10-15 m), forţa este chiar mai mică.

Fizicienii au ajuns la concluzia că forţa slabă şi cea electromagnetică au tării aproape egale. Acest lucru se întâmplă întrucât tăria unei interacţiuni depinde mult atât de masa particulei purtătoare de forţă, cât şi de distanţa interacţiunii. Diferenţa dintre tăriile lor observate este datorată marii diferenţe de masă dintre particulele W şi Z, care sunt foarte masive şi fotonul, care nu are masă după câte ştim până acum.

Forţa gravitaţională

Gravitaţia este ciudată. Este clar că ea este una dintre interacţiunile fundamentale, însă Modelul Standard nu poate să o explice satisfăcător. Aceasta este una dintre marile probleme fără răspuns ale fizicii din zilele noastre.

În plus, o particulă purtătoare a forţei gravitaţionale nu a fost încă găsită. Totuşi, se spune că o astfel de particulă există şi s-ar putea să fie găsită într-o zi: gravitonul.

Din fericire, efectele gravitaţiei sunt extreme de mici în majoritatea situaţiilor fizicii particulelor comparabil cu celelalte trei interacţiuni, astfel că teoria şi experimentul pot fi comparate fără a include gravitaţia în calcule. Astfel, Modelul Standard funcţionează fără a explica gravitaţia.

Încă şi mai detaliat

Ştim cum să calculăm forţele gravitaţionale, dar nu ştim cum să integrăm gravitaţia în matematica teoriei cuantice a Modelului Standard. (Faptul că încă nu am văzut gravitonul nu este o surpriză în Modelul Standard întrucât gravitaţia are interacţiuni extrem de slabe, deci este rar produsă şi rar detectată.)

În acelaşi mod în care legile mecanicii ale lui Newton nu erau greşite, dar a fost nevoie să fie extinse de Einstein pentru a fi mai precise la viteze foarte mari, avem nevoie să extindem Modelul Standard cu o nouă teorie care va explica gravitaţia în profunzime.

Sumar

Acesta este un rezumat al diferitelor interacţiuni fundamentale, particulele ce mediază aceste interacţii şi particule asupra cărora acţionează ele.


August 3rd, 2009
Topic: Generale Tags: None

≡ Leave a Reply